Der neue leistungsstarke Teilchenbeschleuniger SuperKEKB ersetzt seit 2019 sein Vorgängermodell KEKB (1998-2010). Die hohe Luminosität des SuperKEKB führt zu einer deutlich erhöhten Datenrate- und -menge im Vergleich zum Vorgängermodell und erforderte daher auch ein Upgrade des Detektors, um diese Datenmenge aufnehmen und verarbeiten zu können. Daher wurde der ältere Belle-Detektor durch den leistungsfähigeren Belle II-Detektor ersetzt.
Die Teilchenstrahlen aus Materie (Elektronen) und ihren Antiteilchen (Positronen), die im SuperKEKB kollidieren, werden eine bis zu 30-mal höhere Kollisionsrate im Vergleich zum Vorgängermodell erzeugen. Die bei den Kollisionen entstehenden Teilchen und ihre Abbauprodukte werden im Belle II Experiment gemessen und analysiert. Zu diesem Zweck sind verschiedene Detektorkomponenten zylindrisch um die Strahllinie herum angeordnet. Die Detektorkomponenten können die einzelnen Endprodukte der Reaktion (wie Elektronen, Myonen, Pionen und andere Teilchen) nachweisen. Der gesamte Belle II-Detektor ist etwa 10 m breit, ebenso hoch und wiegt insgesamt 1500 Tonnen.
Der Belle-II Detektor besteht aus folgenden Komponenten:
Das VerteX Detektor System (VXD)
Mit dem hochauflösenden VerteX-Detektorsystem (VXD) von Belle II können kurzlebige Teilchenzerfälle bestimmt werden, wie z. B. die von B-Mesonen mit Lebenszeiten in der Größenordnung von Pikosekunden (ein Billionstel einer Sekunde). Ein wesentlicher Beitrag der deutschen Gruppen sind die innersten beiden Lagen mit der höchsten Ortsauflösung.
Messung von Teilchenimpulsen
Nach dem Vertex-Detektor durchlaufen die erzeugten Teilchen die zentrale Driftkammer. Diese Kammer ist mit Gas gefüllt, das von den Teilchen ionisiert wird, so dass nachweisbare Spuren entstehen. Aus diesen Spuren lassen sich die Flugbahnen (Trajektorien) der Teilchen und ihr Impuls ableiten.
Teilchenerkennung von geladenen Teilchen
Detektoren zur Teilchenidentifizierung können die Art des Teilchens anhand der Informationen bestimmen, die die Teilchen bei ihrem Durchgang hinterlassen. So können beispielsweise geladene Teilchen durch die Rekonstruktion der von ihnen ausgesandten Cherenkov-Lichtkegel identifiziert werden.
Erfassung von neutralen Teilchen
Neutrale Teilchen werden mit dem elektromagnetischen Kalorimeter nachgewiesen, das aus 8736 Thallium-dotierten Cäsiumiodid-Kristallen von 6 x 6 x 30 cm3 besteht. Hauptsächlich werden Photonen und ungeladene Pionen (π0’s) aus B-Meson-Zerfällen nachgewiesen. Dabei ist eine besonders hohe Energieauflösung wichtig, um Signal- und Untergrundereignisse ausschließlich aus der Massenverteilung herauslesen zu können: Um Untergrundereignisse besser erkennen zu können. arbeitet die Ausleseelektronik mit Frequenzen um 30 kHz, 100-mal höher als die Frequenzraten des Vorgängerdetektors.
Myonen und Kaonen-Detektion
Das Myon ist wie das Elektron ein Elementarteilchen, hat aber eine viel größere Masse und verliert daher bei seiner Bewegung durch die Materie viel weniger Energie und dringt daher tiefer in sie ein. Das K-long (KL), ein Zustand bestehend aus einer Überlagerung des neutralen Kaons mit seinem Antiteilchen, hat ebenfalls eine lange Lebensdauer und entgeht daher den inneren Detektoren. Sowohl das Myon als auch das KL legen innerhalb des Belle II-Detektors extrem lange Strecken zurück - daher werden diese beiden, und praktisch nur diese beiden Teilchen, erst im KLM-Detektor nachgewiesen.
Trigger und Datenerfassung
Belle II setzt Hochleistungs-Technologien ein, um potenziell interessante Ereignisse auszuwählen (Trigger), die Ausleserate zu reduzieren und die ausgewählten Ereignisse auf Festplatten zu speichern. Die riesige Datenmenge der Detektoren wird in Datenpuffern für insgesamt 5 ms gespeichert und das älteste Fragment wird alle 8 ns gelöscht, was einen Datendurchlauf ergibt. Mithilfe des Belle-II Level 1 Triggersystems werden potenziell relevante Physikdaten aus dem gigantischen Datenstrom extrahiert und mit einer 100%igen Detektionseffizienz für Physikereignisse gespeichert. Die dafür erforderliche Echtzeitanalyse ist eine große Herausforderung und kann nur mit modernster Informationstechnologie bewältigt werden.
Datenverarbeitung
Die mit den Komponenten des Belle II-Detektors gemessenen Kollisionsrohdaten müssen gespeichert und verarbeitet werden. Belle-II produziert jedes Jahr reale und simulierte Daten im zweistelligen Petabyte-Bereich (1 PB = 1 Million GB), die mit speziell dafür entwickelten Algorithmen analysiert werden. Damit spielen die Algorithmen und das Datenverarbeitungssystem eine Schlüsselrolle für den Erfolg des Experiments: Die Daten müssen für die Analysen der Forscher leicht zugänglich sein. Um diese Datenflut prozessieren und zeitnah Ergebnisse präsentieren zu können, werden Computingressourcen der kollaborierenden Institute weltweit durch Hochleistungsnetzwerke zu einem Belle II Computing-Grid verbunden.
