Höchste jemals erreichte Luminosität unter Beteiligung Gießener Physikerinnen und Physiker gemessen – Nachweis seltener teilchenphysikalischer Prozesse wird möglich

 

Teilchenphysikerinnen und -physiker sind stets auf der Suche nach neuen Phänomenen oder teilchenphysikalischen Ereignissen, die aber nur sehr selten zu beobachten sind. Wenn man in einem Teilchenbeschleuniger jedoch die Anzahl der Kollisionen pro Zeiteinheit und Fläche, die sogenannte Luminosität, erhöht, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sich bislang unbekannte Phänomene zeigen. Unter Beteiligung von Forscherinnen und Forschern des II. Physikalischen Instituts der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) ist hier nun ein Weltrekord gelungen: Im Belle-II-Experiment am Teilchenbeschleuniger SuperKEKB in Tsukuba (Japan) wurde eine Luminosität von  2.226×1034 cm–2 s–1  gemessen. Damit werden mehr als zwei Millionen Teilchenereignisse pro Tag aufgezeichnet.

„In der mehr als 50-jährigen Geschichte der Kern- und Teilchenphysik hat kein anderer Teilchenbeschleuniger jemals einen höheren Wert erreicht“, so PD Dr. Sören Lange, der gemeinsam mit Prof. Dr. Claudia Höhne am II. Physikalischen Institut der JLU den Gießener Teil des Belle-II-Projektes leitet. „Mit dieser hohen Luminosität wird es möglich sein, auch sehr seltene Prozesse zu beobachten, die vorher nicht detektierbar waren.“

Der Weltrekord ist einer neuen Technik, dem sogenannten Nanobeam zu verdanken: Die Kollisionszone der zwei Strahlen des KEK-Beschleunigers hat hier in vertikaler Richtung nur eine Ausdehnung von 50 Nanometern. Die Gießener Gruppe ist im Belle-II-Experiment führend beteiligt an der Echtzeitdatenerfassung des Siliziumpixel-Detektors, der ganz nah an der Kollisionszone Daten aufzeichnet. Der Detektor nutzt die Technologie optischer Datenübertragung mit einer Bandbreite, die etwa um einen Faktor 50 höher liegt als zum Beispiel bei einem Multimedia-Kabelanschluss. Einen großen Teil der Steuerung und Überwachung des Detektors haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von der JLU aus durchgeführt – bedingt durch die Corona-Pandemie teilweise auch von zuhause aus.

Ein Ziel des Belle-II-Experimentes ist die Suche nach „neuer Physik“ jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik. Die Gießener Gruppe erforscht insbesondere neue Zustände der starken Wechselwirkung, sogenannte Tetraquarks. Zudem sucht sie nach magnetischen Monopolen – Magnete mit nur einem Pol auf teilchenphysikalischer Ebene. Das Projekt wird geleitet von PD Dr. Lange, der von 2013 bis 2016 Sprecher der deutschen Sektion des Belle-II-Experiments war. Die Gruppe deutscher Forscherinnen und Forscher ist mit etwa 100 Personen eine der stärksten Gruppen innerhalb der internationalen Belle-II-Kollaboration.

Das Belle-II-Projekt der Gießener Gruppe wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und der Europäischen Union (Japan and Europe Network for Neutrino and Intensity Frontier Experimental Research) gefördert.

Weitere Informationen: https://www.uni-giessen.de

BILD: Teilchenkollision, die im Belle-II-Experiment am SuperKEKB-Beschleuniger im März 2020 aufgezeichnet wurde. Innen sieht man elektrisch geladene Teilchen als kurvenförmige Spuren, außen Signale neutraler Teilchen als rote Balken. Die Längenabmessungen sind in Zentimetern angegeben. Abbildung: Belle-II-Kollaboration / High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
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