Weltrekord: Dünnsten Pixel-Detektor installiert

Der Belle II-Pixel-Detektor vor dem Einbau, umgeben vom Belle II-Streifendetektor. Der Detektor ist direkt um den Kollisionspunkt an das Strahlrohr angebracht.
Foto: Koji Hara und Katsuro Nakamura

Internationales Team baut das Herzstück des Belle II-Experiments am japanischen Forschungszentrum KEK ein.

Forschende aus der ganzen Welt suchen mit dem Kooperationsprojekt Belle II am japanischen Forschungszentrum KEK nach neuen Phänomenen in der Teilchenphysik. Nun wurde ein bedeutender Meilenstein erreicht: Ein Team installierte den neuen Pixel-Detektor erfolgreich in Japan. Der Detektor von der Größe einer Getränkedose wurde entwickelt, um die Signale bestimmter Teilchenzerfälle zu erkennen. Sie sollen Aufschluss über die Herkunft des beobachteten Ungleichgewichts von Materie und Antimaterie im Universum geben. Die reibungslose Installation markiert einen wichtigen Schritt in der Weiterentwicklung des Experiments und der Forschungszusammenarbeit zwischen Deutschland und Japan.

Der Pixel-Detektor mit den am Einbau beteiligten Mitgliedern der Universität Bonn (von links): Munira Khan, Jannes Schmitz, Ralf Farkas, Georgios Giakoustidis und Botho Paschen.
Der Pixel-Detektor mit den am Einbau beteiligten Mitgliedern der Universität Bonn (von links): Munira Khan, Jannes Schmitz, Ralf Farkas, Georgios Giakoustidis und Botho Paschen. Foto: Ralf Farkas

Belle II ist ein internationales Kollaborationsprojekt von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt, das am SuperKEKB-Beschleuniger des KEK-Forschungszentrums in Japan durchgeführt wird. Das Ziel dieses Experiments ist es, Antworten auf die vielen offenen Fragen hinsichtlich des Universums zu finden. Hierfür suchen die rund 1200 Mitglieder der internationalen Belle II-Kollaboration nach Hinweisen für neue Physikphänomene und unbekannte Teilchen jenseits des etablierten Standardmodells der Teilchenphysik.

Mit der Installation endete für den Detektor auch eine lange Reise: quer durch Deutschland von München, via mehrere deutsche Institute, darunter die Universität Bonn, nach Hamburg ans Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) und von dort aus schließlich tausende Kilometer ostwärts nach Japan zum Standort von Belle II, dem SuperKEKB-Elektron-Positron-Kollider. Die Luftreise brachte neue Herausforderungen mit sich: unerwartete Turbulenzen und unsachgemäße Handhabung während des Transports hätten leicht einen der empfindlichen Sensoren zerbrechen können. Ein eigens dafür angefertigter Koffer schützte deshalb den Detektor, um Vibrationen zu minimieren.

Beitrag der Universität Bonn

Mitglieder der Universität Bonn waren am Einbau des Detektors in Japan maßgeblich beteiligt. “Die Installation des Pixel-Detektors verlief äußerst zufriedenstellend und ohne größere Schwierigkeiten”, sagt Botho Paschen, technischer Koordinator des Pixel-Detektor-Projekts und Wissenschaftler der Universität Bonn. Der Erfolg sei das Ergebnis der harten Arbeit und des Engagements eines hervorragenden Teams, das über Jahre hinweg daran gearbeitet hat, den Detektor zu entwickeln und für die Installation vorzubereiten. Insbesondere der sehr begrenzte Platz machte den Einbau zu einer äußerst herausfordernden Aufgabe. Paschen: “Der nächste wichtige Schritt ist nun die Inbetriebnahme des Detektors, damit wir Anfang 2024 neue Kollisionsdaten aufzeichnen können.”

Prof. Dr. Florian Bernlochner, Belle II-Gruppenleiter an der Universität Bonn, betonte die Bedeutung des neuen Detektors für die physikalischen Ziele des Experiments: “Der Pixel-Detektor ist das entscheidende Instrument, um präzise Messungen von Lebensdauern von schweren Quarks zu ermöglichen. Mit diesen Messungen können wir die Verletzung einer der grundlegendsten Symmetrien der Natur, die Ladung-Parität-Symmetrie, genauer untersuchen.” Die Verletzung dieser Symmetrie ist eine von drei Bedingungen, die erfüllt sein müssen, um zu erklären, warum das heutige Universum fast ausschließlich aus Materie besteht. “Durch Belle II werden wir ein noch präziseres Verständnis entwickeln, warum sich Materie und Antimaterie unterschiedlich verhalten und ob es in den Zerfällen von schweren Quarks Beiträge von bisher noch nicht entdeckten Teilchen oder Kräften gibt”, ergänzt Bernlochner.

Die Zerfallsprodukte der schweren Quarks weisen eine relativ geringe Energie auf und werden leicht gestört, wenn sie das Detektormaterial durchqueren. Deshalb war es für Belle II notwendig, dass die dem Kollisionspunkt der Teilchenstrahlen am nächsten gelegenen Detektorelemente so leicht wie möglich sein müssen, was den Pixel-Detektor sehr fragil und seine Installation sehr anspruchsvoll machte. Der Detektor besteht aus 20 Silizium-Streifen, die 75 Mikrometer dick sind – das entspricht der Breite eines menschlichen Haares.

Die extrem dünnen DEPFET (DEPleted Field Effect Transistor)-Sensoren wurden am Halbleiter-Labor der Max-Planck-Gesellschaft entwickelt. Die Streifen sind in zwei konzentrischen zylindrischen Schichten angeordnet, wobei die innere Schicht nur 1,4 cm von der Strahllinie entfernt ist. Nach dem erfolgreichen Einbau ist Belle II nun mit dem weltweit dünnsten Pixel-Detektor instrumentiert, so das Team.

Der neuartige Detektor ist darauf ausgelegt, bis zu 50.000 hochauflösende Bilder pro Sekunde von den Zerfällen der reichlich produzierten schweren Quarks am SuperKEKB zu liefern. Die DEPFET Sensortechnologie des Pixel-Detektors lässt sich auch für weitere Zwecke vielfältig einsetzen: zum Beispiel für Röntgen-Satelliten-Missionen, für die Suche nach sterilen Neutrinos oder Dunkler Materie oder in der medizinischen Bildgebung.

Forschung, die die Struktur der Materie auf kleinsten Längenskalen vermisst, erfordert die Entwicklung immer leistungsfähigerer Detektoren. Das Forschungs- und Technologiezentrum für Detektorphysik (FTD) der Universität Bonn bietet den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hierfür ein ideales Umfeld mit moderner Infrastruktur. Im FTD befindet sich auch das Siliziumlabor (SILAB) der Universität Bonn, wo die Module für den Pixel-Detektor über mehrere Jahre hinweg charakterisiert und untersucht wurden. “Die erfolgreiche Installation des Detektors ist das Ergebnis einer langjährigen, fruchtbaren Zusammenarbeit zwischen den beteiligten Institutionen und Forschungszentren”, sagt FTD-Co-Sprecher und Leiter des SILAB Prof. Dr. Jochen Dingfelder, der gemeinsam mit Prof. Dr. Norbert Wermes an der Entwicklung des Pixel-Detektors über viele Jahre hinweg maßgeblich beteiligt war. “Es freut mich zu sehen, wie unsere gemeinsamen Anstrengungen zu einem solchen bahnbrechenden Erfolg geführt haben.” Die Bonner Gruppe dankt allen Beteiligten in Japan, Europa und Deutschland herzlich für ihre harte Arbeit und ihr Engagement.

Beteiligte Institutionen und Förderung:

Der Pixel-Detektor wurde in enger Zusammenarbeit von führenden deutschen Universitäten und Forschungseinrichtungen im Rahmen der internationalen PXD-Kollaboration entwickelt. Die Universitäten Bonn, Mainz, Gießen, Göttingen, KIT, LMU und TUM sowie das Max-Planck-Institut für Physik (MPP), das Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft (MPG-HLL) und das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) haben gemeinsam an der Entwicklung des Detektors gearbeitet. Die Entwicklungen wurden maßgeblich vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Florian Bernlochner
Gruppenleiter Belle II
Tel. +49 228 73 6344
E-Mail: florian.bernlochner@uni-bonn.de

Prof. Dr. Jochen Dingfelder
Co-Sprecher des Forschungs- und Technologiezentrums für Detektorphysik und Leiter des Siliziumlabors der Universität Bonn
Tel. +49 228 73 3532
E-Mail: jochen.dingfelder@uni-bonn.de

Botho Paschen
Technischer Koordinator des Projekts
Tel. +49 228 73 69447
E-Mail: botho.paschen@uni-bonn.de

https://www.uni-bonn.de/de/neues/139-2023

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