03.02.2014

Meilenstein für Belle II: Teststrahlmessung am Vertexdetektor erfolgreich abgeschlossen

Am Freitag wurde bei DESY eine aufwändige Teststrahlkampagne abgeschlossen, in der elementare Daten für den Betrieb des Vertexdetektors im Belle II-Experiment gesammelt wurden. Vier Wochen lang hatte eine internationale Gruppe von über 30 Wissenschaftlern Prototypen für sämtliche Komponenten des Detektors erstmals gleichzeitig einem integrierten Systemtest unterzogen und die Funktionen des Detektors mitsamt seiner aufwändigen Infrastruktur überprüft. „Das Ergebnis ist mehr als ermutigend“, stellt DESY-Projektleiter Carsten Niebuhr fest. „Wir konnten alle Aspekte, von der Kühlung mit Kohlendioxid über die komplexe Datennahme selbst bis hin zur präzisen Ausrichtung der Detektorlagen intensiv testen, und das alles in einem starken Magnetfeld, genau wie später im richtigen Experiment.“ Da der Test für die Belle II-Kollaboration von sehr großer Bedeutung ist, kam ihr Sprecher Tom Browder (Univ. Hawaii) eigens nach Europa, um den Aufbau des Experiments hautnah zu verfolgen. Auch er ist mit dem Ergebnis sehr zufrieden: „Diese ‚Urmutter aller Testbeams‘ war ein großer Erfolg. Die Bedingungen, der Support und die Infrastruktur hier bei DESY erfüllten perfekt unsere Bedürfnisse für so einen komplexen Test.“

Rekonstruierte Teilchenspur durch die Lagen des Vertexdetektors (Mitte), ebenfalls vermessen mit dem am DESY-Teststrahl stehenden EUDET-Teleskop (rechts und links).

Das Experiment Belle II am Beschleuniger SuperKEKB in Japan soll ab 2016 Hinweise zur Lösung eines der großen Rätsel der Teilchenphysik liefern, nämlich warum es im heutigen Universum fast nur Materie gibt, obwohl im Urknall Materie und Antimaterie zu gleichen Anteilen entstanden sein sollten.

Dass Materie und Antimaterie sich unterschiedlich verhalten, führen die Physiker auf die Verletzung der so genannten CP-Symmetrie zurück. Diese besagt, dass sich die physikalischen Gesetzmäßigkeiten in einem System nicht ändern, wenn alle Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt und gleichzeitig alle Raumkoordinaten gespiegelt werden. Physikalische Prozesse, die die CP-Symmetrie brechen, wurden zwar bereits gefunden; allerdings reicht das Ausmaß der beobachteten CP-Verletzung bei weitem nicht aus, um den tatsächlich vorhandenen Materieüberschuss im Universum zu erklären.

Um die Theorien zu dieser Physik zu testen, wollen die Forscher das unterschiedliche Verhalten von Materie und Antimaterie daher sehr präzise messen. Dazu wird zurzeit der Ringbeschleuniger KEKB am Forschungszentrum KEK in Japan zu einer „Super-B-Fabrik“ umgebaut – einem Elektron-Positron-Beschleuniger, der riesige Mengen von Teilchen namens B-Mesonen produziert – über 1000 Mesonpaare pro Sekunde. Deren Zerfälle werden im Belle II-Detektor mit höchster Präzision vermessen und eignen sich ausgezeichnet dafür, nach Hinweisen für neue Physik zu suchen.

Eine der zentralen Komponenten des vielseitigen Nachweisgeräts ist der Vertexdetektor, der die Teilchenzerfälle nahe am Kollisionspunkt vermisst. Der Detektor besteht aus mehreren Siliziumlagen. Die beiden inneren äußerst dünnen Lagen werden pixelweise, die vier äußeren streifenweise ausgelesen. Für den Pixel-Detektor kommt erstmals die neuartige, für den zukünftigen internationalen Linearbeschleuniger ILC entwickelte DEPFET-Technologie zum Einsatz, die durch ihre extrem dünnen Schichten besonders auch für Teilchen mit niedriger Energie geeignet ist. Der Detektor wird von DESY gemeinsam mit sieben deutschen Universitäten, dem Max-Planck-Institut für Physik und dem Halbleiter-Labor in München gebaut, das diese Technologie auch entwickelt hat.

In ihren Messungen am DESY-Teststrahl erprobten die Forscher jetzt erstmals das Zusammenspiel der Pixel- und Streifenlagen und der zugehörigen Infrastruktur in einem realitätsnahen Setup. Sie bauten die Detektorkomponenten in einen supraleitenden Magneten ein und setzten sie dem Trommelfeuer genau lokalisierter Elektronen aus dem DESY-Synchrotron aus. Dabei gelang es ihnen auch, erste Tests zur Auswahl der zu verfolgenden Kollisionen, dem sogenannten Trigger, zu machen. Die hohe Kollisionsrate in Belle II wird Datenmengen von etwa 20 Gigabyte pro Sekunde allein in dem kleinen Pixel-Detektor erzeugen, viel zu viel, um sie ungefiltert auszulesen. „Der High-Level-Trigger soll daher sehr schnell und zuverlässig interessante Bereiche im Pixeldetektor definieren, und nur deren Daten zeichnen wir dann auf“, erklärt Carsten Niebuhr.

Die komplexen Experimente am Teststrahl erforderten eine umfangreiche Vorbereitung. Bereits Ende Oktober hatten sich über 80 Experten zu einem Workshop bei DESY getroffen, um die Messkampagne vorzubereiten. Die jetzt erzielten Erkenntnisse fließen in den Bau des endgültigen Vertexdetektors ein. Ein weiterer Systemtest mit den endgültigen Sensoren ist für Ende dieses Jahres bei DESY geplant, bevor der Detektor 2015 fertig zum KEK transportiert und dort mit dem Streifendetektor zusammengebaut und in Betrieb genommen wird. Der Einbau ins Belle II-Experiment und der Beginn der Datennahme sind dann für 2016 vorgesehen.

Der Testaufbau wurde in den supraleitenden PCMAG-Magneten eingebaut, in dem ein Magnetfeld von einem Tesla herrscht.