Sinds 25 maart 2019, het Belle II-detectorinstrument in Japan heeft botsingen van deeltjes gemeten die zijn gegenereerd in de SuperKEKB-versneller. Het nieuwe duo produceert meer dan 50 keer zoveel botsingen als zijn voorganger. Door de enorme toename van data is er nu een grotere kans om de onbalans tussen materie en antimaterie in het heelal te verklaren.

In het Belle II-experiment, elektronen en hun antideeltjes, positronen, zijn gericht op een botsing. Dit resulteert in het genereren van B-mesonen, koppels bestaande uit een quark en een anti-quark. Tijdens eerdere experimenten (Belle en BaBar), wetenschappers konden waarnemen dat B-mesonen en anti-B-mesonen met verschillende snelheden vervallen, een fenomeen staat bekend als CP-schending. Het biedt een oriëntatie als het gaat om de vraag waarom het universum bijna geen antimaterie bevat - ook al is er na de oerknal beide vormen van materie moeten in gelijke hoeveelheden aanwezig zijn geweest.

"Echter, de tot nu toe waargenomen asymmetrie is te klein om het ontbreken van antimaterie te verklaren, ", zegt Hans-Günther Moser van het Max Planck Institute for Physics. "Daarom zijn we op zoek naar een krachtiger mechanisme dat tot nu toe onbekend is gebleven en dat de grenzen van het gebruikte 'standaardmodel van de deeltjesfysica' zou doorbreken daten. Echter, om deze nieuwe fysica te vinden en er statistisch bewijs voor te leveren, natuurkundigen moeten veel meer gegevens verzamelen en evalueren dan ze tot nu toe hebben gedaan."

Met deze taak in het achterhoofd, de voormalige KEK-versneller en Belle - die van 1999 tot 2010 operationeel waren - zijn volledig gemoderniseerd. De belangrijkste nieuwe ontwikkeling is de 40-voudige toename van de helderheid, het aantal deeltjesbotsingen per oppervlakte-eenheid.

Voor dit doeleinde, wetenschappers en technici hebben het profiel van de deeltjesbundel aanzienlijk verminderd; het zal in de toekomst ook mogelijk zijn om het aantal geschoten deeltjesbundels te verdubbelen. De kans dat de deeltjes elkaar daadwerkelijk raken wordt daarmee aanzienlijk vergroot. Op deze manier, wetenschappers zullen in de toekomst 50 keer zoveel gegevens beschikbaar hebben voor evaluatie.

Zeer nauwkeurige opname van deeltjessporen

Echter, de extra hoeveelheid gegevens stelt grote uitdagingen als het gaat om de kwaliteit van de analyse die door de detector wordt geleverd. Na de deeltjesbotsing, de B-mesonen vervallen met slechts 0,1 millimeter op een gemiddelde vlucht. Dit betekent dat de detectoren zeer snel en nauwkeurig moeten werken. Dit wordt verzekerd door een zeer gevoelige pixelvertexdetector, waarvan een groot deel is ontwikkeld en gebouwd in het Max Planck Institute for Physics en het halfgeleiderlaboratorium van de Max Planck Society. De detector heeft in totaal 8 miljoen pixels, en levert 50, 000 beelden per seconde.

"Er zijn verschillende speciale technologieën ingebouwd in de pixelvertexdetector, " legt Moser uit. "Als er nieuwe deeltjespakketten in de SuperKEKB worden ingevoerd, die aanvankelijk een zeer grote achtergrond genereert, we kunnen de detector ongeveer 1 microseconde verblinden. Dit betekent dat niet-relevante signalen kunnen worden geblokkeerd." de detectorsensoren zijn niet dikker dan een mensenhaar, met een breedte van slechts 75 micrometer. De natuurkundigen hopen dat op deze manier, ze kunnen voorkomen dat deeltjes worden verstrooid terwijl ze door de materie gaan.

De start van de meetoperatie markeert het einde van een groot bouwproject. Negen jaar lang, wetenschappers en ingenieurs hebben gewerkt aan de ombouw en modernisering van de detector. De run die nu is begonnen, loopt door tot 1 juli 2019. De SuperKEKB en Belle II gaan in oktober 2019 weer van start na een korte pauze voor onderhoud.