LHCb bekommt (freundliche) Konkurrenz: SuperKEKB läuft wieder an

Der Belle-II-Detektor am japanischen Forschungszentrum KEK. Bild: KEK

Der Large Hadron Collider am CERN ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt – aber bei weitem nicht der einzige. Beschleunigerexperten in Japan haben jetzt den komplett umgebauten Teilchenbeschleuniger SuperKEKB wieder in Betrieb genommen. SuperKEKB und vor allem der dazugehörende Detektor Belle II erforschen, wie der LHCb-Detektor am LHC, den feinen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie, der erklären könnte, warum das Universum aus Materie besteht, obwohl beim Urknall Materie und Antimaterie in genau gleichen Mengen entstanden sein müssten.

SuperKEKB, der am Forschungszentrum KEK in Tsukuba nördlich von Tokio steht, beschleunigt Elektronen und Positronen in zwei verschiedenen drei Kilometer langen Beschleunigerringen – Positronen auf vier Giga-Elektronenvolt, Elektronen auf sieben Giga-Elektronenvolt. Zum ersten Mal seit dem Umbau konnten wieder beide Teilchenarten in ihren Ringen mehrere Runden drehen. Das ist ein wichtiger Schritt in Richtung Teilchenkollisionen im ebenfalls fast komplett umgebauten Detektor Belle II, an dem auch Universitäten und Institute aus Deutschland maßgeblich beteiligt sind. Allerdings geht das Forschungsprogramms von Belle II erst in zwei Jahren los.

Bis vor einigen Jahren hieß der Beschleuniger noch „KEKB“ und der Detektor „Belle“, die zusammen wichtige grundlegende Erkenntnisse für unser Verständnis über den Aufbau der Materie geliefert haben. Dieser Erfolg wurde im Jahr 2008 mit dem Physik-Nobelpreis für die japanischen Theoretiker Makoto Kobayashi and Toshihide Maskawa gewürdigt. Mit dem aufgerüsteten SuperKEKB soll nun die 50-fache Menge an Kollisionsdaten im Vergleich zum Vorgänger erzeugt werden. Diese höhere Luminosität, die ein Maß für die Anzahl der Kollisionen ist, wird dann durch besonders leistungsfähige Fokussierungsmagnete und andere neue Elemente im Beschleuniger erreicht.

Mehr Kollisionen bedeuten aber auch höhere Anforderungen an den Detektor, der jetzt plötzlich aus einem viel größeren Gewirr von Teilchenkollisionen die spannenden herausfiltern und aufzeichnen muss. Dafür bauen die Belle II-Forscher an neuartigen Detektorkomponenten, die direkt um den Kollisionspunkt liegen und die Spuren, Zerfallspunkte und andere Eigenschaften der bei den Kollisionen entstehenden Teilchen genau aufzeichnen können. Einer davon ist der hochempfindliche Vertexdetektor, der zum Teil von deutschen Forschergruppen gebaut wird.

Besonderen Wert legen die Forscher hier auf die Identifikation von B-Mesonen – Teilchen, die mindestens ein b-Quark oder b-Antiquark enthalten und die in großer Anzahl paarweise von SuperKEKB erzeugt werden. Sie können Aufschluss über das Missverhältnis von Materie zu Antimaterie im Universum geben. Durch die hohen Kollisionsraten ergänzt Belle II damit die Forschung, die das LHCb-Experiment am Large Hadron Collider am CERN macht, weil es bestimmte seltene Prozesse sehr viel besser aufspüren und untersuchen kann.

Doch bevor auch der sehr empfindliche Vertexdetektor den Teilchenkollisionen ausgesetzt werden kann, wollen die Wissenschaftler erst genau verstehen, wie das Kollisions- und Zerfallsdurcheinander aussieht, um den Beschleuniger von Anfang an richtig „einstellen“ zu können. Dafür bauen sie eine Art High-Tech-Detektor-Dummy, der zunächst anstelle des Vertexdetektors eingebaut wird, um den Untergrund genau untersuchen zu können. In Anlehnung an das Märchen von der Schönen (Beauty / Belle) und dem Biest wurde er BEAST II (Beam Exorcism for A STable Belle II) getauft. BEAST II soll ab Herbst 2017 Daten nehmen.

Die Forschungsgruppe um Belle II besteht aus etwa 600 Wissenschaftlern von 94 Instituten aus 23 Ländern. Deutschland stellt mit elf Instituten eine der größten Forschergruppen und ist maßgeblich am Entwicklung und Bau des Vertex- und anderer Detektoren beteiligt. Unter anderem werden die unter Führung des Max-Plank-Instituts für Physik gebauten Detektorkomponenten am DESY-Teststrahl getestet, bevor sie nach Japan transportiert werden. Außerdem wird Belle II enorme Datenmengen erzeugen, die gespeichert, rekonstruiert und analysiert werden müssen; für Speicher- und Rechenkapazitäten sorgt DESY zu einem signifikanten Teil.