Im Urknall sollten Materie und Antimaterie zu gleichen Anteilen entstanden sein. Doch warum gibt es im heutigen Universum fast nur Materie? Dieses große Rätsel der Teilchenphysik soll das Experiment Belle II am Beschleuniger SuperKEKB in Japan lösen. Auch DESY beteiligt sich an dem ambitionierten Experiment, das 2016 an den Start geht, ebenso wie an der Datenanalyse des Vorgängerexperiments, Belle.

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 sollten, wenn alle Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt und gleichzeitig alle Raumkoordinaten gespiegelt werden. Wissenschaftler haben bereits Prozesse identifiziert, die die CP-Symmetrie brechen. Allerdings reicht das Ausmaß der beobachteten CP-Verletzung nicht aus, um den tatsächlich vorhandenen Materieüberschuss im Universum zu erklären. Dieser kommt nach Auffassung der Forscher durch „neue Physik“ zustande, die über das gängige Standardmodell der Teilchenphysik hinausreicht.

Ideen und Theorien zu dieser neuen Physik gibt es viele – von Extradimensionen bis Supersymmetrie. Welche davon tatsächlich der Wirklichkeit entspricht, wollen die Forscher herausfinden, indem sie das unterschiedliche Verhalten von Materie und Antimaterie extrem präzise messen. Dazu baut das japanische Beschleunigerlabor KEK in Tsukuba den von 1999 bis 2010 betriebenen Ringbeschleuniger KEKB zu einer „Super-B-Fabrik“ um – einem Elektron-Positron-Beschleuniger, der große Mengen von Teilchen namens B-Mesonen produziert. Die Grundlagen für diese B-Fabriken wurden unter anderem bei DESY am DORIS-Speicherring gelegt, an dem Forscher 1987 mit Hilfe des ARGUS-Detektors zum ersten Mal die Umwandlung eines B-Mesons in sein Antiteilchen, ein Anti-B-Meson, beobachteten.

Teilchenproduktion in der B-Fabrik

Der rund drei Kilometer lange, aufgerüstete Beschleuniger SuperKEKB wird eine 40-fach höhere Kollisionsrate liefern als sein Vorgänger und damit über 1000 Paare von B-Mesonen pro Sekunde erzeugen. Deren Zerfälle werden im Belle II-Detektor mit höchster Präzision vermessen. Gemeinsam mit sieben deutschen Universitäten und dem Max-Planck-Institut für Physik in München baut DESY eine zentrale Komponente für das riesige Nachweisgerät, den Pixel-Vertexdetektor, der die Teilchenzerfälle unmittelbar am Kollisionspunkt registriert. Hierfür kommt erstmals die neuartige, für den zukünftigen internationalen Linearbeschleuniger ILC entwickelte DEPFET-Technologie zum Einsatz. Außerdem wird sich DESY an der Datennahme und Auswertung der Messdaten von Belle II beteiligen.

Die Belle II-Kollaboration besteht aus etwa 600 Wissenschaftlern von 94 Instituten aus 23 Nationen, wobei Deutschland nach Japan die zweitgrößte Gruppe von Physikern stellt. Innerhalb von Deutschland ist Belle II damit das drittgrößte Projekt der Teilchenphysik nach den Experimenten ATLAS und CMS am LHC-Beschleuniger bei CERN in Genf. SuperKEKB soll Anfang 2015 die ersten Teilchen beschleunigen, der Detektor Belle II wird 2016 den Forschungsbetrieb aufnehmen. Die Rekord-Kollisionsrate von SuperKEKB ermöglicht dann einzigartige Experimente, die komplementär zu denen am LHC sind, an dem mit dem LHCb-Detektor ebenfalls B-Mesonen untersucht werden.

Datenauswertung bei DESY

Seit 2012 ist DESY außerdem Mitglied der Belle-Kollaboration, die die Daten des Vorgängerexperiments auswertet und nach Hinweisen auf neue Physik fahndet. Dafür stellt DESY Speicherplatz für die enorme, von 1999 bis 2010 aufgenommene Datenmenge zur Verfügung, ebenso Grid-Infrastruktur und – im Rahmen seiner National Analysis Facility (NAF) – Rechnerressourcen für die Datenanalyse. Die Daten von Belle liefern dabei wertvolle Erkenntnisse für die zukünftige Datennahme und -analyse bei Belle II.

Die Zusammenarbeit von DESY mit japanischen Teilchenphysikinstituten hat eine lange Tradition. Schon vor 40 Jahren beteiligten sich japanische Forscher an dem DORIS-Experiment DASP, dann folgte das Experiment JADE („Japan-Deutschland-England“) am PETRA-Beschleuniger. Bei HERA gab es eine große japanische Beteiligung bei den Experimenten ZEUS und HERMES. Auch im Rahmen von Zukunftsprojekten wie der Detektorentwicklung für den ILC gibt es gemeinsame Forschungsaktivitäten. Mit der Beteiligung von DESY an Belle II wurden diese erstmals auf ein Experiment in Japan ausgedehnt.

Zahlen und Fakten

Belle

  • Experiment zur Messung von Elektron-Positron-Kollisionen am KEKB-Beschleuniger des japanischen Beschleunigerlabors KEK in Tsukuba
  • Betrieb: 1999 bis 2010
  • Anzahl erzeugter B-Mesonen-Paare: knapp 800 Millionen
  • Datenanalyse: laufend

Belle II

  • Nachfolgeexperiment von Belle am umgebauten Beschleuniger SuperKEKB
  • 7,5 m lang, 7 m hoch
  • Beginn des Forschungsbetriebs: 2016
  • Erwartete Anzahl erzeugter B-Mesonen-Paare: ca. 40 Milliarden