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Belle und Belle II

Suche nach neuer Physik und neuen stark-wechselwirkenden Teilchen in e+e- Kollisionen in Japan.

Das Belle-Experiment Experiment am KEK-Institut für Hochenergiephysik in Tsukuba, Japan,  ist ein Experiment an einem leistungsfähigen 3 km Elektron-Positron-Doppel-Speicherring, genannt KEKB. Da es die enorme Zahl von etwa 800 Millionen Paar B Anti-B-Mesonen seit Anfang der 1999 produziert wurde, wird auch als "B-Mesonen-Fabrik" bezeichnet.


Das e- und e+ Strahlen nahe der Lichtgeschwindigkeit im KEKB's kollidieren in der Mitte der Belle-Detektor und erzeugen dabei Paare von B-und Anti-B-Mesonen. Diese Mesonen und Anti-Mesonen zerfallen, aber B-Mesonen zeigen im Zerfall nicht die gleichen Muster wie Anti-B-Mesonen. Diese so genannte CP Verletzung (C nennt man auch Ladungskonjugation, P Parität) hatte man in der K-Meson System in den 1960er Jahren beobachtet und kürzlich bei Belle in mehrere Typen von B-Mesonen. Diese Beobachtung impliziert, dass CP-Verletzung ist nicht nur ein überraschender Zufall in der Natur ist, sondern (da es in beiden Systemen beobachtet wurde) ein allgemeines Prinzip der Natur darzustellen scheint. Diese Symmetriebrechung kann man mit der Theorie von Kobayashi und Maskawa beschreiben, in denen der Unterschied zwischen Teilchen und Antiteilchen mathematisch aus einer komplexen Zahl entsteht. Zusammen mit Nambu wurden sie mit dem Nobelpreis 2008 für diese Leistung geehrt.

Der KEKB Beschleuniger.

Etwa 100 Beschleunigerexperten und Dutzende von Support-Teams waren am KEKB Bescheluniger und am Belle Experiment im Einsatz von 1999 bis 2010. Das Team erreichte die Luminosität von 2,11 x 10 ^ 34 cm-2 s-1 am 17. Juni 2009, welches die höchste jemals erreichte Beschleuniger Luminosität weltweit darstellt. Die Belle Kollaboration selbst umfaßte die Zusammenarbeit von rund 400 Physiker aus 60 Instituten in 15 Ländern.

Belle brachte auch neue Erkenntnisse für die starke Wechselwirkung, durch die Beobachtung neuer starker wechselwirkenden Teilchen ("Hadronen"). Vielleicht ist die wichtigste dieser neuen Teilchen heißt X(3872), welches einen molekularen Zustand von zwei schweren Mesonen mit Charm-Quarks darstellen könnte. Wenn diese Interpretation sich als richtig erweist, werden weitere dieser Zustände erwartet, jedoch bisher unbeobachtet. Die B Mesonen Zerfälle mit solchen Zuständen sind sehr selten. Das X(3872) Teilchen hat im Zerfall von B Mesonen ein relatives Verzweigungsverhältnis von von 10^-4-10^-6 (d.h. die Wahrscheinlichkeit dieses Zerfalls, normiert auf die Anzahl aller B-Mesonen Zerfälle), so daß in der Tat für die Beobachtung dieser Ereignisse in der Tat einen Teilchenbeschleuniger mit einer sehr hohen Luminosität erforderlich ist. Diese neuen Hadronen haben sehr große Massen in einem Energiebereich, in denen ihr Potenzial fast vollständig durch "Confinement" dominiert ist, eine Eigenschaft der QCD (Quantenchromodynamik, der Theorie der starken Wechselwirkung), die bisher noch ungeklärt ist. In der Tat wurde im August 2000 die quantitative Beschreibung von "Confinement" von der New York Times als eine der Fragen des Milleniums aufgeführt. Für weitere Informationen zu den Analysen von neuen Hadronen in unserer Gruppe siehe hier eine Präsentation und ein Papier, Bachelorarbeiten 1 , 2 , 3 , 4 und Masterarbeiten 1 , 2. Als ähnliches Thema haben außerdem nach molekularen Zuständen von Anti-Materie gesucht  1 , 2 .

Die KEKB Beschleuniger wird derzeit umgebaut und planmäßig als Super-KEKB als Ziel eine Luminosität von 8 x 10 ^ 35 cm-2 s-1 erreichen, d.h. 40 mal höher als an KEKB. Eine solche Erhöhung der Luminosität stellt eine enorme Ingenieursleistung dar. Zur Aufrechterhaltung der Performance des Detektor unter dem viel höheren Strahl-Untergrund hat Design und Konstruktion für den Belle-Detektor der nächsten Generation begonnen, genannt Belle-II.

Eines der Hauptziele des Belle II-Experiments wird die Suche nach neuer Physik jenseits des derzeitigen Standardmodells für Quarks und Leptonen darstellen. Während die Experimente am Large Hadron Collider am CERN nach direkten Signalen neuer Physik in der TeV Energieskala suchen, wird die Schwerpunktsenergie Belle-II mit ~10 GeV nicht ausreichen für direkte Signale. Deswegen ist die Strategie eine andere, nämliche die Suche nach indirekten Signalen. Loop Diagramme wie z.B. Pinguin Diagramme erlauben diese Suche, in dem die Prozesse z.B. sensitiv auf das top Quark sind, obwohl die Masse des top-Quarks etwa 17 mal schwerer ist als die Kollisionsenergie an Belle-II. Deswegen könnten Loop-Diagramme auch sensitiv auf weitere schwere Teilchen wie supersymmetrische Teilchen oder rechtshändige W-Bosonen sein. Es wird sogar diskutiert, ob es eine 4. Quark-Familie gibt, die in solchen Diagrammen Beiträge liefern könnte.

Für Belle II werden die Silizium-Detektoren, welche sich nah am Kollisionspunkt befinden, großen Design-Änderungen unterzogen. Die wichtigste neue Komponente für Belle II ist der innerste Pixel-Detektor (PXD), welcher für Vertizes von geladenen Teilchenspuren in Strahlrichtung eine Ortsauflösung von >20 um erreichen wird. Er wird konstruiert und gebaut in einer Zusammenarbeit von Deutschland, Tschechien, Spanien und Polen. Die beteiligten deutschen Institute sind Universität Bonn, Universität Giessen, Universität Göttingen, Universität Heidelberg, Universität Karlsruhe, LMU München, und TMU München. Die Größe des Detektors kann zu einer Coca-Cola Getränkedosen verglichen werden, jedoch gibt es eine enorme Anzahl von 8.000.000 Pixeln.

Pixel-Detektor-Parameter:

 

  • Innenradius 14 mm, 8-Sensor-Module, Modul 9,0 x 1,5 cm ^ 2, Pixelgröße 50 x 50 um (Mikrometer)

  • Außenradius 22 mm, 12 Sensor-Module, Modul 12,3 x 1,5 cm ^ 2, Pixelgröße 50 x 75 um (Mikrometer)

  • 800 x 250 Pixel pro Modul

  • 50 um Dicke des Sensors (Frame 400 um, Umschalter Chip 200-500 um), entsprechend 0,15 bis 0,18% Strahlung Länge

Der Belle-II Pixel Detektor.

Die Universität Gießen hat die Verantwortung für das Echtzeit-Datenerfassungssystem des Belle-II PXD übernommen. Aufgrund der hohen Anzahl der Pixel ist die Datenrate so gewaltig mit >20 Gigabytes pro Sekunde. Dies bedeutet, in einer Sekunde gibt es Streaming binärer Daten von mehr als 5 DVDs, über 40 optischen Hochgeschwindigkeits-Links verteilt. Die Datenauslese wird von FPGAs durchgeführt (Field Programmable Gate Arrays) mit mehr als 6,5 Millionen programmierbaren logischen Gattern pro Chip. Die Plattform wird Compute Node genannt und ist als elektronisches Board des ATCA-Standard (Advanced Tele Communications Architecture) darstellt, konstruiert und gefertigt in einer Zusammenarbeit vom IHEP Peking und der Gießener Gruppe.

FPGA basierter Compute Node.
ATCA System.

Kontakt:
Dr. Jens Sören Lange, Akad.. Rat

E-Mail soeren.lange [at] exp2.physik.uni-giessen.de

Tel. +49-641-9933242