Erfolgreicher Start in Phase 3 am japanischen Beschleuniger SuperKEKB

Am japanischen Teilchenbeschleuniger SuperKEKB ist am 11. März 2019 die mit Spannung erwartete Phase 3 erfolgreich gestartet. Das ausgeklügelte Detektorsystem des Belle II-Experiments ist nun vollständig instrumentiert und wird die Suche nach neuer Physik in der jetzt begonnenen Messkampagne mit Hochdruck vorantreiben.

Ein wesentlicher Meilenstein war die Installation des vollständigen VerteX-Detektorsystems (VXD), dessen Entwicklung und Montage rund 10 Jahre dauerte. Dieser hochmoderne Spurdetektor ermöglicht die präzise Vermessung von Teilchenspuren nah an dem Interaktionspunkt, an dem hochenergetische Elektronen und Positronen des SuperKEKB miteinander kollidieren und andere Teilchen, insbesondere sogenannte B-Mesonen, produzieren können.

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Concettina Sfienti am Institut für Kernphysik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat dieses Vorhaben mit der Entwicklung und Programmierung spezieller Elektronik zur Überwachung des Detektorsystems unterstützt.

Mit Belle II sollen 50-mal mehr Daten als beim Vorgängerexperiment Belle gesammelt werden. Diese gewonnenen Daten sollen dann nicht nur genutzt werden, um bereits bekannte physikalische Phänomene mit deutlich verbesserter Präzision zu studieren, sondern auch für die Suche nach neuen Phänomenen, die durch das höchst erfolgreiche Standardmodell der Teilchenphysik nicht vorhergesagt werden und die Geheimnisse des frühen Universums neu beleuchten.

Insbesondere wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit Belle II Beweise für die Existenz neuer unbekannter Teilchen finden, die eine mögliche Erklärung für das Vorherrschen von Materie im Vergleich zu Antimaterie liefern und so weitere offene fundamentale Fragen zum Verständnis des Universums beantworten.

Die im Beschleuniger herbeigeführten Elektron-Positron-Kollisionen erzeugen große Mengen von B-Meson-Paaren, die nach kurzer Zeit bereits wieder zerfallen. Diese Zerfallsprodukte können – insbesondere auch unter Zuhilfenahme des VerteX-Detektorsystems – untersucht werden, um Abweichungen von der akzeptierten Theorie zu finden. Wenn sich statistisch signifikante Unterschiede zur Theorie ergäben, wäre dies eine der ersten Entdeckungen neuer Physik seit Entwicklung des Standardmodells in den 1970er-Jahren.

Um eine solche Entdeckung mit Sicherheit zu bestätigen, müssen um ein Vielfaches mehr B-Paare beobachtet werden als jemals in früheren Elektron-Positron-Anlagen produziert wurden. Noch hält der KEKB-Beschleuniger, der von 1999 bis 2010 betrieben wurde, den Luminositätsrekord für Elektron-Positron-Kollider.

Die Luminosität ist dabei der maßgebliche Indikator dafür, wie viele Teilchen überhaupt miteinander kollidieren können. Belle II soll nun mit der deutlichen Erhöhung der Luminosität die etwa 50-fache Anzahl an B-Meson-Zerfällen des ursprünglichen Belle-Experiments produzieren, das 760 Millionen solcher Ereignisse hervorbrachte.

Die Inbetriebnahme des SuperKEKB-Beschleunigers wurde im Februar 2016 erfolgreich abgeschlossen. In beiden Ringen zirkulierten daraufhin bereits die Teilchenstrahlen mit hervorragenden Strahleigenschaften, jedoch waren noch keine Kollisionen möglich. Es folgten im März 2018 in Phase 2 erste Kollisionen, die mit einem reduzierten Aufbau des Belle II-Detektors registriert werden konnten. Erste Ergebnisse aus Phase 2 wurden 2018 bereits auf internationalen Konferenzen gezeigt.

Die durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanzierte Verbundforschungsförderung für Belle II ist eingebettet in das Rahmenprogramm „Erforschung von Universum und Materie (ErUM)“.

Bildmaterial:
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_kernphysik_belle-II.jpg
Schematische Darstellung des Belle II-Detektorsystems
Abb./©: Rey Hori, KEK

Weiterführende Links:

https://www.kek.jp/en/ – Forschungszentrum KEK – High Energy Accelerator Research Organization (KEK))

http://belle2.jp – Belle II-Experiment am Forschungszentrum KEK

https://www.kek.jp/en/newsroom/2019/03/11/1600/ – Pressemitteilung des Forschunsgzentrums KEK: „SuperKEKB Phase 3 (Belle II Physics Run) Starts“ (11.03.2019)

https://www.bmbf.de/de/erforschung-von-universum-und-materie—das-rahmenprogram… – Erforschung von Universum und Materie – das Rahmenprogramm ErUM des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF)

Lesen Sie mehr:

http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/4887_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Erste Kollision von Elektronen und Positronen am japanischen Beschleuniger SuperKEKB“ (27.04.2018)

http://www.uni-mainz.de/presse/74697.php – Pressemitteilung „Erste Teilchenumläufe am Beschleuniger SuperKEKB“ (17.03.2016)

Prof. Dr. Concettina Sfienti
Institut für Kernphysik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-25841
E-Mail: sfienti@uni-mainz.de
https://www.kernphysik.uni-mainz.de/