Die exakte Bestimmung der CP-Verletzung soll helfen, ein fundamentales Rätsel zu lösen: das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie im Universum. Ohne diese Asymmetrie gäbe es keine Galaxien, keine Sterne, keine Erde und kein Leben. Materie und Antimaterie würden sich permanent gegenseitig vernichten und dabei Energie freisetzen. Ein dauerhaftes „Überleben“ von Materie wäre daher nicht möglich – das Universum, wie wir es heute kennen, wäre nie entstanden.
Nachgewiesen wurde die CP-Verletzung an B-Mesonen, die jeweils aus einem (Anti-)B-Quark und einem anderen (Anti-)Quark bestehen. B-Mesonen lassen sich experimentell erzeugen, indem Elektronen und Positronen beschleunigt und zur Kollision gebracht werden.
Neue Bestimmung der CP-Verletzung
Die von den früheren Experimenten BaBar in den USA und Belle in Japan gemessene CP-Verletzung erweist sich allerdings als zu schwach, um die heute vorhandene Menge an Materie zu erklären. Mit Belle II und dem Beschleuniger SuperKEKB ist jetzt ein modernisiertes Experiment am Start. Die neue B-Fabrik soll 50-Mal mehr Daten liefern und wesentlich präzisere Messungen erlauben als ihre Vorgängerin Belle.
Die hohe Präzession ist der wichtigste Parameter des Belle II Detektors – und kann sich schon jetzt mit früheren Ergebnissen durchaus vergleichen lassen, wie Thibaud Humair, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik, berichtet: „Der Beschleuniger kommt bisher lediglich auf 10% der anvisierten Luminosität (die Kollisionsrate der Teilchen). Wir haben nur etwa 1% der geplanten Daten gesammelt und die Hälfte davon ausgewertet. Trotzdem erhalten wir die gleichen Zahlen – und wichtiger – eine bereits ähnliche Messgenauigkeit wie bei Belle. Das stimmt uns zuversichtlich, dass wir mit den künftigen Messungen den Wert der CP-Verletzung erheblich genauer bestimmen können.“
Der Pixeldetektor – das scharfe Auge von Belle II
Das Plus an B-Mesonen und auswertbaren Daten ist jedoch nicht die einzige Verbesserung. Mit dem hauptsächlich von deutschen Belle II-Arbeitsgruppen entwickelten Pixel-Detektor (PXD) lässt sich der Ort, an dem B-Mesonen zerfallen, exakt bestimmen.
Warum das so wichtig ist, erklärt Thomas Kuhr, Wissenschaftler an der Ludwig-Maximilians-Universität und Leiter des Forschungsschwerpunktes Belle II-Deutschland: „Die nach der Kollision gebildeten B- und Anti-B-Mesonen fliegen durchschnittlich 0,1 Millimeter weit, bevor sie zerfallen. Um auf dieser winzigen Strecke Zeitunterschiede beim Zerfall feststellen zu können, müssen wir den Zerfallspunkt genau kennen.“
Das Belle II-Experiment hat damit einen wichtigen Meilenstein erreicht. Für die Zukunft erwarten die Forschenden weiter steigende Datenvolumina und noch präzisere Analysemöglichkeiten. „Damit hoffen wir, dem Rätsel um das Materie-Antimaterie Ungleichgewicht einen weiteren Schritt näher zu kommen“, so Thibaud Humair abschließend.
Die deutschen Arbeitsgruppen im Belle II-Experiment werden mit Finanzmitteln folgender Einrichtungen und Programme gefördert:
- Alexander von Humboldt Foundation
- Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
- Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), insbesondere 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
