BELLE II

Gebrochene Symmetrie

Alles, womit wir im normalen Leben zu tun haben, ist Materie, die aus Elektronen, Protonen und Neutronen besteht. Aus bestimmten physikalischen Prozessen und Experimenten wissen wir auch, dass es Antimaterie gibt, die aus Antiteilchen wie Anti-Elektronen und Anti-Protonen besteht, deren einziger Unterschied ihre elektrische Ladung ist. Ein Elektron ist negativ, während sein Gegenstück, das Positron, positiv ist. Jedes Teilchen hat sein Antiteilchen - eine schöne Symmetrie des Modells. Dieser Symmetrie folgend, hätten beim Urknall Teilchen und Antiteilchen in gleicher Anzahl entstehen müssen. Aber warum gibt es dann heute fast nur noch Materie in unserem Universum? Das Belle II Experiment am Beschleuniger SuperKEKB in Tsukuba, Japan, wurde gebaut, um diese fundamentale Frage zu beantworten.

Theorien führen den Unterschied zwischen Teilchen und Antiteilchen auf die Verletzung der sogenannten CP-Symmetrie zurück. Verschiedene physikalische Prozesse, die diese Symmetrie brechen, wurden bereits in früheren Experimenten beobachtet und analysiert, aber keines der Ergebnisse kann den tatsächlichen Überschuss an Materie in unserem Universum vollständig erklären. Das Belle II-Experiment wurde konzipiert, um diese neuen Theorien, die eine "neue Physik" jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik beinhalten, zu testen und diese fundamentale Frage zu klären. Das Ziel des Experiments ist es, das Teilchen/Antiteilchen-System mit extremer Genauigkeit zu analysieren, indem sowohl die statistischen als auch die systematischen Fehler der Messung minimiert werden.

Im Herzen des Belle II-Experiments, das dem Wechselwirkungspunkt am nächsten ist, befindet sich der PXD (PiXel Detector). Er misst effektiv die Lebensdauer von Teilchen und Antiteilchen, die am Wechselwirkungspunkt von Elektronen und Positronen erzeugt werden, mit bisher unerreichter Genauigkeit. Das HLL hat die DEPFET-basierten Pixelsensoren entworfen und gebaut sowie die Module entwickelt und montiert. In Zusammenarbeit mit Universitäten aus Deutschland, Spanien, der Tschechischen Republik und Polen sowie den Institutionen DESY und MPI für Physik hat das HLL wesentlich zu Design, Bau, Installation und Betrieb des gesamten Pixeldetektorsystems beigetragen. Die erste Version des PXD wurde in Belle II 2019 installiert und nimmt seither Daten auf.

Hochpräzise Messungen mit minimalem Materialeinsatz

Hergestellt aus 1000-fach reinerem Silizium als herkömmliche Transistoren oder Speicherchips, integriert das Belle II Pixeldetektor (PXD) Modul 200.000 DEPFET-Pixelzellen auf einer Fläche von ca. 8 cm². DEPFET ist ein Akronym für Depleted p-channel Field Effect Transistor.  Die DEPFET-Siliziumtechnologie ermöglicht die Detektion von einzelnen Photonen oder geladenen Teilchen mit höchster Effizienz und Präzision. Der grundsätzliche Detektionsprozess ist derselbe wie in herkömmlichen Foto- oder Videokameras. Allerdings ist das Primärsignal von Einzelteilchen im Vergleich zum Photonenfluss des sichtbaren Lichts, das auf handelsübliche Kameras auftrifft, viel kleiner. Hier kommt die einzigartige Eigenschaft des DEPFET-Pixels ins Spiel: Das sehr kleine Signal eines einzelnen Teilchens wird im Pixel selbst verstärkt. Auf diese Weise vereint der DEPFET-Pixel das Sensormaterial und die erste Verstärkung in einer Einheit. Durch die Anordnung vieler DEPFET-Pixel zu einem Array entsteht ein Bildsensor, mit dem man den Durchgang eines Teilchens durch den Sensor mit einer Genauigkeit von etwa einem hundertstel Millimeter (10 Mikrometer) bestimmen kann.

Um die Pixelinformationen aus der Matrix möglichst schnell zu verarbeiten und auszulesen, ist eine zusätzliche Elektronik notwendig. Realisiert in Form von anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASICs), wird diese Elektronik direkt auf dem Sensorsubstrat angebracht. Die Signale der Pixelmatrix werden von diesen ASICs digitalisiert, weiter verarbeitet, und schließlich mit einer Rate von 50.000 Bildern pro Sekunde an das Datenerfassungssystem übertragen. Durch die enorme Anzahl von elektrischen Verbindungen auf dem Sensor, die die 200.000 Pixel mit den ASICs verbinden, wird die DEPFET-Matrix zu einem komplexen Modul mit maximaler Integrationsdichte. Trotz aller Komplexität kann die Matrix extrem dünn und leicht gebaut werden, mit dem entscheidenden Vorteil, dass eine Partikelspur nicht durch das Sensormaterial selbst gestört wird und somit eine möglichst präzise Messung des Partikelursprungs ("Vertex") ermöglicht.

Für die Realisierung eines Pixel-Vertex-Detektors, der die innersten beiden Schichten des Belle II-Detektors bildet, wurde am HLL eine einzigartige Technologie entwickelt, die es erlaubt, extrem dünne und hochintegrierte Sensormodule herzustellen. Der empfindliche Teil des Moduls, die DEPFET-Matrix, wird durch eine anisotrope Ätztechnik auf 75 Mikrometer gedünnt, was der Dicke eines menschlichen Haares entspricht. Diese dünne und in sich flexible Folie aus empfindlichem Silizium wird von einem monolithisch integrierten Rahmen getragen, auf dem die ASICs und andere passive Elemente mittels Flip-Chip- und SMD-Technologie montiert sind. Die Versorgungs- und Datenleitungen laufen durch eine flexible elektrische Schaltung, die am Ende des Moduls angebracht ist. Zwei solcher Module werden am anderen Ende des Sensors zusammengeklebt und bilden so eine selbsttragende "Leiter" mit den flexiblen Versorgungs- und Ausleseschaltungen an beiden Enden. 

Diese Technologie ermöglicht die Anordnung der planaren, dünnen DEPFET-Leiter in zylindrischer Form um den Interaktionspunkt des Experiments, gestützt nur an den Enden, wo sich die Haupt-ASICs befinden. Der Träger, der sich außerhalb des Akzeptanzvolumens des Detektors befindet, dient auch als Kühlblock für die ASICs, wobei flüssiges CO2 durch speziell angeordnete Mikrokanäle innerhalb des Kühlblocks gespült wird. Der vollständige PXD-Vertex-Detektor besteht aus 8 Leitern in der inneren Lage und 12 Leitern in der äußeren, die 14 und 22 Millimeter vom Wechselwirkungsspunkt entfernt sind. Mit dieser Anordnung werden die geforderten hochpräzisen Messungen von Teilchenspuren, deren Ursprung und letztlich der Lebensdauer der Sekundärteilchen Realität.