Belle-Experiment

Bedeutung und Ergebnisse von Belle

Das Belle-Experiment war ein Experiment zur B-Physik am japanischen Forschungszentrum für Teilchenphysik KEK. Es untersuchte B-Mesonen, also Teilchen aus der Familie der Mesonen, und zeichnete von 1999 bis 2010 insgesamt 772 Millionen B-Mesonen-Zerfälle auf und wertete sie aus. Das vergleichbare BaBar-Experiment befand sich in den USA. Nach der Datennahme wurden Beschleuniger und Detektor umgebaut; das Nachfolgeexperiment Belle II läuft seit 2018.

Belle veröffentlichte mehr als vierhundert wissenschaftliche Ergebnisse. Dazu gehört die Entdeckung der CP-Verletzung im B-Mesonen-System. CP-Verletzung bezeichnet die Verletzung der Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Die Beobachtung zeigte, dass sie sich in der Natur mindestens im K-Mesonen-System und im B-Mesonen-System manifestiert.

Weiterhin wurden neue Pinguin-Zerfälle entdeckt, insbesondere B → Kl⁺l⁻ und b → dγ. Pinguin-Zerfälle können zur Suche nach bisher unbeobachteten Teilchen dienen, die nicht im Standardmodell vorkommen. Belle fand außerdem Tetraquark-Kandidaten wie X(3872) und Z(4430). Das elektrisch geladene Z(4430) wird oft als erstes zweifelsfrei experimentell nachgewiesenes Hadron angesehen, das mindestens aus vier Quarks bestehen muss und daher weder ein Meson noch ein Baryon sein kann.

Der Physik-Nobelpreis 2008 für Makoto Kobayashi erwähnte ausdrücklich das Belle-Experiment. Es trug maßgeblich zur Bestätigung theoretischer Vorhersagen von Kobayashi und anderen bei.

Übergang zu Belle II

Ende 2009 beschloss die japanische Regierung, Belle und den KEKB-Beschleuniger zu Belle II und SuperKEKB auszubauen. Ein Grund war der erfolgreiche Betrieb von Belle. Als Höhepunkt nennt der Artikel die Entdeckung von Oszillationen von B-Mesonen und die Vermessung zeitabhängiger CP-Verletzung. Diese Entdeckung führte zur Verleihung des Physik-Nobelpreises 2008 an Makoto Kobayashi, Yōichirō Nambu und Toshihide Masukawa.

Im Februar 2016 zirkulierten die ersten Teilchenstrahlen im SuperKEKB. Von April bis Juli 2018 wurden erste Kollisionsdaten gesammelt, allerdings bei niedriger Kollisionsrate und noch ohne die innersten Spurdetektoren. Am 25. März 2019 zeichnete der fast vollständige Detektor die ersten Kollisionen des eigentlichen Physikprogramms auf; zu diesem Zeitpunkt war nur die Hälfte des Pixeldetektors installiert. Der vollständige Pixeldetektor wurde 2023 installiert.

Belle II und der SuperKEKB-Beschleuniger

Belle II untersucht am KEK wie sein Vorgänger B-Physik. Die Studien entsprechen weitgehend dem früheren Programm, sollen aber deutlich genauere Messungen ermöglichen und viele Größen erstmals bestimmen. Belle II arbeitet im Hochpräzisionssektor, anders als ATLAS und CMS am LHC am CERN, die im Hochenergiesektor arbeiten. Neue Physik jenseits des Standardmodells wird daher nicht vor allem durch die direkte Erzeugung neuer Teilchen bei hohen Energien gesucht, sondern durch genaue Messungen seltener Prozesse, besonders von B-Mesonen-Zerfällen.

SuperKEKB wird bei einer Schwerpunktsenergie von 10,580 GeV betrieben. Diese entspricht der Masse der Y(4S)-Resonanz; deshalb heißen SuperKEKB und Belle II auch B-Fabriken. SuperKEKB ist ein asymmetrischer Elektron-Positron-Beschleuniger mit zwei Ringen, in denen Elektronen und Positronen in entgegengesetzte Richtungen beschleunigt werden. Elektronen erreichen im Hochenergiering (HER) 7 GeV, Positronen im Niedrigenergiering (LER) 4 GeV. Bei KEKB waren es 8 GeV im HER und 3,5 GeV im LER. Dadurch sinkt der Boost von 0,43 auf 0,28. Für Untersuchungen der zeitabhängigen CP-Verletzung besitzt Belle II deshalb im Unterschied zu Belle einen Pixeldetektor unmittelbar am Interaktionspunkt.

Bei gleicher Schwerpunktsenergie wie KEKB soll SuperKEKB eine um den Faktor 30 höhere Kollisionsrate erreichen. Ziel sind innerhalb einiger Jahre 50 ab⁻¹ integrierte Luminosität, also 50-mal so viel wie KEKB mit 0,99 ab⁻¹. Die höhere Rate entsteht durch höhere Elektronen- und Positronenströme sowie durch starke Fokussierung am Interaktionspunkt: auf 10 µm horizontal und 50 nm vertikal. Diese Anordnung heißt Nano-Beam-Konfiguration.

Aufbau und Spurrekonstruktion

Der Belle-II-Detektor besteht aus spezialisierten Subdetektoren in drei Bereichen: dem zylindrischen Bereich um das Strahlrohr (Barrel), der rückwärtigen Endkappe in Richtung des LER-Strahls und der vorderen Endkappe in Richtung des HER-Strahls. Im Zentrum liegt das Strahlrohr mit dem Interaktionspunkt, an dem sich Elektronen- und Positronenstrahl treffen. Ein Teil der Teilchen wechselwirkt dort und erzeugt B-Mesonen, deren Zerfallsprodukte im Detektor analysiert werden. Das Strahlrohr enthält eine 10 µm dicke Goldschicht zur Unterdrückung von Synchrotronstrahlung, eine 0,6 mm dicke Berylliumschicht, einen 1 mm breiten Kühlzwischenraum und eine weitere 0,4 mm dicke Berylliumschicht.

Die drei Spurdetektoren liefern Positionsdaten, damit der Weg der Teilchen rekonstruiert werden kann: Pixeldetektor, Silizium-Vertex-Detektor und zentrale Driftkammer. Sie erfassen Teilchen bei Winkeln von 17° bis 150° relativ zum Strahlrohr. Der Pixeldetektor besteht aus zwei Schichten: 8 Module liegen 10 mm, 12 Module 12 mm vom Interaktionspunkt entfernt. Wegen der hohen Luminosität werden DePFET-Pixeldetektoren statt Silizium-Streifendetektoren verwendet. Rund acht Millionen Pixel mit jeweils etwa 50 × 75 µm² werden mit 50 kHz ausgelesen. Es fallen mehr als 20 Gigabyte Daten pro Sekunde an, die mittels ASIC-, FPGA- und optischer Technik in Echtzeit verarbeitet werden. Die außerhalb des Messbereichs liegende Ausleseelektronik soll Mehrfachstreuung vermeiden. Vertexkoordinaten von B-Mesonen-Zerfallsspuren können bis 25 µm genau bestimmt werden, etwa doppelt so genau wie bei Belle. Der Pixeldetektor ist der deutsche Beitrag zu Belle II.

Der Silizium-Vertex-Detektor liegt weiter außen, sodass weniger Treffer auftreten und Silizium-Streifendetektoren eingesetzt werden können. Er besitzt vier doppelseitige Schichten im Abstand von 38 mm bis 140 mm; seine äußeren Bereiche zur vorderen Endkappe sind zur Mitte geneigt, um den Akzeptanzbereich zu vergrößern. Die zentrale Driftkammer reicht von 160 mm bis 1130 mm und enthält je 50 % Helium und Ethan. 42.420 Aluminium-Felddrähte erzeugen ein elektrisches Feld, das geladene Teilchen zur Ionisation des Gases anregt. 14.336 Wolfram-Sensordrähte messen diese Ionisation und ermöglichen die genaue Bestimmung helikaler Teilchenbahnen. Außerdem misst die Kammer den Energieverlust pro Wegstrecke und unterstützt damit die Teilchenidentifikation.

Identifikation, Energie- und Impulsmessung

Zur Teilchenidentifikation werden in den Endkappen RICH-Systeme verwendet. Im zentralen Bereich werden Photonen in Quarzblöcken geleitet und ihre Flugzeit bis zum Ende der Blöcke gemessen. Aus Position beziehungsweise Flugzeit lässt sich der Emissionswinkel der Strahlung bestimmen und daraus der Teilchentyp ableiten.

Das Kalorimeter besteht aus 6.624 CsI(Tl)-Kristallen mit Fotodioden an ihren Enden. Es registriert Teilchen, die in den Kristallen elektromagnetische oder hadronische Schauer auslösen. Seine Hauptaufgabe ist die Messung von Photonen mit Energien von 50 MeV bis 4 GeV sowie von neutralen Hadronen. Auch geladene Teilchen können gemessen und Elektronen von Hadronen unterschieden werden. Der größte Teil des Kalorimeters wurde vom Belle-Detektor übernommen.

Ein supraleitender Solenoid-Magnet umschließt das Kalorimeter und erzeugt in Strahlrichtung ein annähernd homogenes Magnetfeld von 1,5 T. Es krümmt die Bahnen geladener Teilchen; aus dem Bahnradius wird ihr Impuls bestimmt. Der Magnet umfasst ein Zylindervolumen von 3,4 m Durchmesser und 4,4 m Länge. Die Eisenstruktur des Kaon- und-Myon-Detektors dient als Rückflussjoch. Dieser Detektor liegt außerhalb des Magneten und ist ein Sampling-Kalorimeter: Langlebige Kaonen (Kₗ) können dort hadronische Schauer erzeugen; Eisenplatten bilden dabei das Absorbermaterial zwischen den aktiven Detektorelementen.