Quelle: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn 3. August 2023.

3. August 2023 – Forschende aus der ganzen Welt suchen mit dem Kooperationsprojekt Belle II am japanischen Forschungszentrum KEK nach neuen Phänomenen in der Teilchenphysik. Nun wurde ein bedeutender Meilenstein für das internationale Belle II-Experiment erreicht: Ein Team installierte den neuen Pixel-Detektor erfolgreich an seinem endgültigen Standort in Japan. Der Detektor von der Größe einer Getränkedose wurde entwickelt, um die Signale bestimmter Teilchenzerfälle zu erkennen. Sie sollen Aufschluss über die Herkunft des beobachteten Ungleichgewichts von Materie und Antimaterie im Universum geben. Die reibungslose Installation markiert einen wichtigen Schritt in der Weiterentwicklung des Experiments und der Forschungszusammenarbeit zwischen Deutschland und Japan.

Belle II ist ein internationales Kollaborationsprojekt von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt, das am SuperKEKB-Beschleuniger des KEK-Forschungszentrums in Japan durchgeführt wird. Das Ziel dieses Experiments ist es, Antworten auf die vielen offenen Fragen hinsichtlich des Universums zu finden. Hierfür suchen die rund 1200 Mitglieder der internationalen Belle II-Kollaboration nach Hinweisen für neue Physikphänomene und unbekannte Teilchen jenseits des etablierten Standardmodells der Teilchenphysik.

Mit der Installation endete für den Detektor auch eine lange Reise: quer durch Deutschland von München, via mehrere deutsche Institute, darunter die Universität Bonn, nach Hamburg ans Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) und von dort aus schließlich tausende Kilometer ostwärts nach Japan zum Standort von Belle II, dem SuperKEKB-Elektron-Positron-Kollider. Die Luftreise brachte neue Herausforderungen mit sich: unerwartete Turbulenzen und unsachgemäße Handhabung während des Transports hätten leicht einen der empfindlichen Sensoren zerbrechen können. Ein eigens dafür angefertigter Koffer schützte deshalb den Detektor, um Vibrationen zu minimieren.

Beitrag der Universität Bonn
Mitglieder der Universität Bonn waren am Einbau des Detektors in Japan maßgeblich beteiligt. “Die Installation des Pixel-Detektors verlief äußerst zufriedenstellend und ohne größere Schwierigkeiten”, sagt Botho Paschen, technischer Koordinator des Pixel-Detektor-Projekts und Wissenschaftler der Universität Bonn. Der Erfolg sei das Ergebnis der harten Arbeit und des Engagements eines hervorragenden Teams, das über Jahre hinweg daran gearbeitet hat, den Detektor zu entwickeln und für die Installation vorzubereiten. Insbesondere der sehr begrenzte Platz machte den Einbau zu einer äußerst herausfordernden Aufgabe. Paschen: “Der nächste wichtige Schritt ist nun die Inbetriebnahme des Detektors, damit wir Anfang 2024 neue Kollisionsdaten aufzeichnen können.”

Prof. Dr. Florian Bernlochner, Belle II-Gruppenleiter an der Universität Bonn, betonte die Bedeutung des neuen Detektors für die physikalischen Ziele des Experiments: “Der Pixel-Detektor ist das entscheidende Instrument, um präzise Messungen von Lebensdauern von schweren Quarks zu ermöglichen. Mit diesen Messungen können wir die Verletzung einer der grundlegendsten Symmetrien der Natur, die Ladung-Parität-Symmetrie, genauer untersuchen.” Die Verletzung dieser Symmetrie ist eine von drei Bedingungen, die erfüllt sein müssen, um zu erklären, warum das heutige Universum fast ausschließlich aus Materie besteht. “Durch Belle II werden wir ein noch präziseres Verständnis entwickeln, warum sich Materie und Antimaterie unterschiedlich verhalten und ob es in den Zerfällen von schweren Quarks Beiträge von bisher noch nicht entdeckten Teilchen oder Kräften gibt”, ergänzt Bernlochner.

Die Zerfallsprodukte der schweren Quarks weisen eine relativ geringe Energie auf und werden leicht gestört, wenn sie das Detektormaterial durchqueren. Deshalb war es für Belle II notwendig, dass die dem Kollisionspunkt der Teilchenstrahlen am nächsten gelegenen Detektorelemente so leicht wie möglich sein müssen, was den Pixel-Detektor sehr fragil und seine Installation sehr anspruchsvoll machte. Der Detektor besteht aus 20 Silizium-Streifen, die 75 Mikrometer dick sind – das entspricht der Breite eines menschlichen Haares.

Die extrem dünnen DEPFET (DEPleted Field Effect Transistor)-Sensoren wurden am Halbleiter-Labor der Max-Planck-Gesellschaft entwickelt. Die Streifen sind in zwei konzentrischen zylindrischen Schichten angeordnet, wobei die innere Schicht nur 1,4 cm von der Strahllinie entfernt ist. Nach dem erfolgreichen Einbau ist Belle II nun mit dem weltweit dünnsten Pixel-Detektor instrumentiert, so das Team.

Der neuartige Detektor ist darauf ausgelegt, bis zu 50.000 hochauflösende Bilder pro Sekunde von den Zerfällen der reichlich produzierten schweren Quarks am SuperKEKB zu liefern. Die DEPFET Sensortechnologie des Pixel-Detektors lässt sich auch für weitere Zwecke vielfältig einsetzen: zum Beispiel für Röntgen-Satelliten-Missionen, für die Suche nach sterilen Neutrinos oder Dunkler Materie oder in der medizinischen Bildgebung.

Forschung, die die Struktur der Materie auf kleinsten Längenskalen vermisst, erfordert die Entwicklung immer leistungsfähigerer Detektoren. Das Forschungs- und Technologiezentrum für Detektorphysik (FTD) der Universität Bonn bietet den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hierfür ein ideales Umfeld mit moderner Infrastruktur. Im FTD befindet sich auch das Siliziumlabor (SILAB) der Universität Bonn, wo die Module für den Pixel-Detektor über mehrere Jahre hinweg charakterisiert und untersucht wurden. “Die erfolgreiche Installation des Detektors ist das Ergebnis einer langjährigen, fruchtbaren Zusammenarbeit zwischen den beteiligten Institutionen und Forschungszentren”, sagt FTD-Co-Sprecher und Leiter des SILAB Prof. Dr. Jochen Dingfelder, der gemeinsam mit Prof. Dr. Norbert Wermes an der Entwicklung des Pixel-Detektors über viele Jahre hinweg maßgeblich beteiligt war. “Es freut mich zu sehen, wie unsere gemeinsamen Anstrengungen zu einem solchen bahnbrechenden Erfolg geführt haben.” Die Bonner Gruppe dankt allen Beteiligten in Japan, Europa und Deutschland herzlich für ihre harte Arbeit und ihr Engagement.

Förderung
Der Pixel-Detektor wurde in enger Zusammenarbeit von führenden deutschen Universitäten und Forschungseinrichtungen im Rahmen der internationalen PXD-Kollaboration entwickelt. Die Universitäten Bonn, Mainz, Gießen, Göttingen, KIT, LMU und TUM sowie das Max-Planck-Institut für Physik (MPP), das Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft (MPG-HLL) und das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) haben gemeinsam an der Entwicklung des Detektors gearbeitet. Die Entwicklungen wurden maßgeblich vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

26. Juni 2020 – 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, an dem die Johannes Gutenberg-Universität Mainz beteiligt ist, 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 10³⁴cm^-2s^-1. Doch das 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 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 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 Raimondo 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 Strahlrohrs,
• der Einbau neuer supraleitendender Magneten zum Fokussieren der Strahlen,
• der Einbau eines neuen Dämpfungsrings für Positronen
• 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 Physikerinnen und Physiker und Ingenieurinnen und Ingenieure 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 Forscherinnen und Forscher in Signalen aus seltenen Zerfallsprozessen 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 Physikerinnen und Physiker 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.

(*) Mesonen bestehen aus zwei Quarks, Elementarteilchen, die auch die Protonen und Neutronen im Kern von Atomen bilden. Zum Beispiel sind B-Mesonen aus Up- oder Down Quarks und einem Anti-B-Quark zusammengesetzt: https://de.wikipedia.org/wiki/B-Meson

Das Tau-Lepton (oder Tauon) ist ein schwerer Verwandter des Elektrons: https://de.wikipedia.org/wiki/Lepton

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

• Bundesministerium für Bildung und Forschung: Rahmenprogramm Erforschung von Universum und Materie (ErUM)
• Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) 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

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• Dunkle Materie

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: EADS/MIT.

Es ist wie beim Aufräumen nach einer Party. Fassen alle mit an, dann ist die Arbeit im Handumdrehen getan, auch größere Abfallmengen können schnell entsorgt werden. Muss dagegen einer allein ran, dauert es ewig. Jeder allein könnte die Arbeit schaffen, zusammen aber geht es schneller und besser.
Redundanz und Kooperation werden zunehmend auch zu Arbeitsprinzipien in Astronomie und Raumfahrt. Das Very Large Array in den USA besteht aus 27 Radioteleskopen, die getrennt an verschiedenen oder gemeinsam in höchster Qualität an einer Aufgabe arbeiten können. Ähnlich verhält es sich auch bei verschiedenen optischen Teleskopen, wie dem KEK auf Hawaii oder dem Very Large Telescope auf dem Paranal in Chile. Neue Projekte kommen von EADS und ASTRON sowie vom MIT.

EADS und ASTRON wollen der ESA die Einrichtung eines Feldes vieler kleiner Radioteleskope auf dem Mond vorschlagen. Die einhundert mit Kabeln zu Energieversorgung und Datenaustausch verbundenen Einzelteleskope sollen in einem etwa kreisförmigen Bereich mit einem Durchmesser von 300 Metern auf der Mondrückseite angeordnet werden. Damit entfällt die störende Radiostrahlung von der Erde. Das erste Antennenfeld könnte 2013 zum Mond gebracht werden, falls sich die ESA bis 2008 für das Projekt entscheidet. Entwicklung, Bau, Start und zweijähriger Messbetrieb sollen etwa 1,3 Milliarden Euro kosten, als Träger käme eine modifizierte Ariane 5 zum Einsatz. Durch weitere Antennenfelder könnte das Teleskop auf eine Größe von 600 Kilometer gebracht werden.

Techniker am MIT dagegen wollen Hunderte kleiner Kugeln mit Messgeräten, Energieversorgung, Kommunikationseinrichtungen und einer Sprungmechanik ausrüsten und auf den Mars bringen. Weitgehend sollen dabei Bauteile „von der Stange“ verwendet werden, was sich positiv auf den Preis auswirken sollte. Mit bis zu Tausend Roboterkugeln könnten etwa 130 Quadratkilometer innerhalb kurzer Zeit erforscht werden. Jede Kugel untersucht die Bodenzusammensetzung in ihrer Umgebung, sendet ihre Daten an einen Orbiter, bringt sich in die richtige Position und springt mit Hilfe eines Federmechanismus ein paar Meter weiter. Die Anordnung der Kugeln auf einer größeren Fläche hingegen geschieht bereits bei der „Landung“. Die robusten Kugeln werden aus größerer Höhe abgeworfen und verteilen sich nach dem Zufallsprinzip. Auch wenn dabei einige verlorengehen, kann das Gesamtsystem seine Aufgabe voll und ganz erfüllen. Hauptproblem ist gegenwärtig die Energieversorgung. Derzeitige Planungen sehen Mini-Brennstoffzellen vor.

Externe Links:

http://www.space.eads.net/press-center/press-releases/radioteleskop-auf-dem-mond-geplant [Edit 2021: nicht mehr verfügbar]
https://news.mit.edu/2006/microbots

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