Rückenwind für die Suche nach seltenen Teilchenzerfällen am Belle II-Experiment: Der Beschleunigerring SuperKEKB hat jetzt die höchste je gemessene Luminosität erzielt. Damit schlägt der Elektron-Positron-Beschleuniger nicht nur seinen Vorgänger KEKB, sondern auch den Large Hadron Collider (LHC) am CERN. Dies gab das japanische Forschungszentrum KEK, der Betreiber des Beschleunigers, jetzt bekannt. 

In SuperKEKB werden Elektronen und Positronen auf hohe Energien beschleunigt und im Belle II-Detektor zur Kollision gebracht. Damit wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Ursachen des unterschiedlichen Verhaltens von Materie und Antimaterie im Universum genauer ergründen. Der deutsche Belle II-Forschungsverbund war für die Entwicklung des zentralen Detektors in Belle II verantwortlich.

Die Luminosität spielt dabei eine Schlüsselrolle. Sie sagt aus, wie viele Teilchen pro Sekunde auf einem Quadratzentimeter aufeinandertreffen. Damit ist die Luminosität eine wichtige Stellgröße für die Anzahl von Kollisionen, die im Belle II-Detektor erzeugt und ausgewertet werden können: je mehr Messdaten, umso höher die Wahrscheinlichkeit, auch sehr seltene Prozesse zu finden. Am 15. Juni 2020 lag der Wert bei 2,22 x 10³⁴ cm^-2s^-1. 

“Den Beschleuniger so konstant auf Weltrekord-Luminosität zu halten ist eine großartige Leistung des SuperKEKB Beschleunigerteams und weitere Verbesserungen sind schon für diesen Herbst geplant. Wir sind gespannt auf die Daten aus diesen Rekordkollisionen”, sagt Carsten Niebuhr, Belle-Forscher bei DESY.

Doch der Rekord ist erst der Anfang: In den nächsten Jahren wird die Luminosität weiter ansteigen – nach Plan auf das 40-fache des aktuellen Rekords. Dafür haben sich die Wissenschaftler*innen eine Reihe technischer Details einfallen lassen.

Ziel: Erhöhung der Kollisionsrate 

Um eine hohe Luminosität zu erzielen, können zwei Dinge optimiert werden: die Dichte der beiden gegenläufigen Strahlen aus Elektronen und Positronen und der Teilchenstrom, also die Anzahl der Teilchen pro Strahl. 

Der italienische Physiker Pantaleo Raimondi hat das so genannte Nano-Beam-Verfahren entwickelt. Damit lässt sich der Teilchenstrahl auf eine Breite von nur 10 Mikrometer und eine Höhe von nur 50 Nanometer bündeln. Zum Vergleich: Die Größe von Corona-Viren beträgt 120-160 Nanometer. Der aktuelle Weltrekord konnte bereits mit einem 20 Mikrometer breiten und 220 Nanometer hohen Strahl erzielt werden. Auch beim Teilchenstrom ist noch eine Erhöhung um einen Faktor 4-5 möglich. 

Die technischen Neuerungen

Um das Nano-Beam-Verfahren zu implementieren und den Teilchenstrom zu erhöhen, haben die Betreiber den SuperKEKB-Ring mit technischen Neuerungen versehen. Dazu zählen die Installation eines neuen Strahlrohres, der Einbau neuer supraleitendender Magneten zum Fokussieren der Strahlen, der Einbau eines neuen Dämpfungsrings für Positrone und eine hochleistungsfähige Teilchenquelle.

Auswirkungen auf das Belle II-Experiment 

Der Elektron- und der Positron-Strahl treffen im Zentrum des Detektors Belle II zusammen. Die Physiker*innen und Ingenieur*innen im Belle II-Verbund untersuchen damit Teilchen, die bei der Kollision entstehen – im wesentlichen B-Mesonen, Charm-Mesonen und Tau-Leptonen sowie ihre entsprechenden Antiteilchen.

Das Verhalten dieser Teilchen ist weitgehend im Standardmodell beschrieben. Allerdings kann dieses nicht alle beobachtbaren Phänomene erklären: zum Beispiel die Dunkle Materie oder warum es im Universum Materie, aber kaum Antimaterie gibt. Den Schlüssel für diese Rätsel hoffen die Forscher*innen in Signalen aus seltenen Zerfallsprozesse zu finden. Mit der Hochleistungsmaschine SuperKEKB wird es möglich, mehr dieser Ereignisse zu erfassen und zu analysieren.

Im Lauf der nächsten zehn Jahre soll Belle II 50-Mal mehr Kollisionen aufzeichnen als der vorherige Belle-Detektor. Anders gesagt, können die Physiker*innen mit dem Experiment dann 50 Milliarden B-Mesonen-Paare und eine ähnlich hohe Anzahl an Charm-Mesonen sowie Tau-Leptonen auswerten. So können sie tiefer als je zuvor in die Geheimnisse des Universums eintauchen.  

Die deutschen Arbeitsgruppen im Belle II-Experiment werden mit Finanzmitteln folgender Einrichtungen und Programme gefördert: 

•       Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
•       Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), insbesondere im Rahmen der Exzellenzstrategie
        des Bundes und der Länder:  
  • „ORIGINS“: EXC-2094 – 390783311
  • “Quantum Universe”: EXC-2121 – 390833306

•       European Research Council
•       European Union’s Horizon 2020 – grant agreement No 822070
•       Helmholtz-Gemeinschaft
•       Max-Planck-Gesellschaft