Im Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall muss es Materie und Antimaterie in gleicher Menge gegeben haben. Heute ist aber nur Materie übrig. Was ist mit der Antimaterie passiert? Haben wir unsere Existenz möglicherweise einem Zufall zu verdanken? Und was verraten die Untersuchungen der Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Teilchen und Antiteilchen über bisher unbekannte Physikphänomene im Universum? Diesen Fragen geht das internationale Team aus Wissenschaftler*innen nach, das das LHCb-Experiment am Large Hadron Collider (LHC) betreibt.
Die LHCb-Kollaboration interessiert sich dabei vor allem für Kollisionen, in denen b-Quark-Paare produziert werden. Die Herausforderung dabei ist, dass es zwar extrem viele davon gibt, aber nicht alle automatisch interessant sind. Um die interessanten Ereignisse herauszufischen – also sozusagen nicht die Nadel im Heuhaufen, sondern die Nadel im Nadelhaufen zu finden – braucht man spezielle Detektortechnologien und Softwarelösungen.
Der Detektor
Der LHCb-Detektor ist in vielerlei Hinsicht besonders. Zunächst einmal ist er der einzige Großdetektor am LHC, der nicht zylindrisch, sondern in vertikalen Scheiben angeordnet ist. Die erste „Scheibe“ bzw. der erste Subdetektor befindet sich ganz in der Nähe des Kollisionspunkts. Die anderen Subdetektoren folgen hintereinander auf einer Länge von 20 m und tragen mit unterschiedlichen Informationen (z.B. Flugbahn, Impuls oder Energie der Teilchen) zum Gesamtbild der Kollision bei. Diese Anordnung fängt vor allem „vorwärtsgerichtete“ Teilchen auf, die in kleinen Winkeln zum Strahl in Richtung des Detektors fliegen. Hier halten sich die Teilchen auf, die die Forschenden genau untersuchen wollen.
Eine weitere Besonderheit bei LHCb ist seine Präzision. Die Forschenden können aus den Tausenden von Teilchen, die in den Kollisionen entstehen, jedes einzelne identifizieren und rekonstruieren – und das, obwohl viele von ihnen nur eine sehr kurze Zeit lang existieren, bevor sie wieder zerfallen. Der Trick dabei ist, den Teilchen wenig Material in den Weg zu legen, um ihre Bahn möglichst unverfälscht nachvollziehen zu können. Denn je weniger Detektorlagen es gibt und je materialärmer diese sind, desto geringer ist die Chance, dass die leichten B-Teilchen und ihre Zerfallsprodukte abgelenkt werden.
Internationale LHCb-WebsiteAktuelle Forschungsfragen
Die B-Teilchen enthalten viele Informationen über das Universum, seine Geschichte und die Regeln, nach denen es funktioniert. Bei der Untersuchung ihrer Verhaltensweisen haben die LHCb-Forschenden schon viele Besonderheiten entdeckt. Dazu gehören u.a. eine Reihe von neuen Teilchen, die sich aus mehreren Teilchen zusammensetzen und beim Zerfall von B-Mesonen entstehen, sowie ein bisher noch nie beobachtetes Ungleichgewicht im Zerfall von D0-Teilchen.
Hinweise auf neue physikalische Phänomene
Außerdem zeichnet sich in den bisher untersuchten Daten aus den letzten Laufzeiten des LHC eine interessante Beobachtung ab: Eigentlich sollten laut dem Standardmodell der Teilchenphysik Teilchen der gleichen Familie auch die gleichen Eigenschaften haben. Wenn sich zeigt, dass dies nicht der Fall ist, stimmt etwas nicht mit der Theorie – oder sie muss um neue Ideen und Phänomene erweitert werden.
Bei LHCb hat man beobachtet, dass eine bestimmte Art von B-Mesonen etwas häufiger in eine spezielle Reihe von Teilchen zerfällt als in eine andere, obwohl die Häufigkeit laut Theorie genau gleich sein müsste. Vielleicht ist diese Unregelmäßigkeit beim B-Teilchenzerfall ein Hinweis auf Phänomene jenseits des bisher Bekannten. Allerdings wird sich erst mit den neuen Daten aus der 2022 beginnenden Laufzeit des LHC zeigen, ob sich diese Beobachtung zu einer Entdeckung ausweitet. Denn mit einem größeren Datensatz und einer höheren Anzahl interessanter Kollisionen hoffen die Wissenschaftler*innen viele offene Fragen beantworten zu können.
Das LHCb-Experiment – Steckbrief
Maße:
- 10 m Höhe, 13 m Breite, 21 m Länge
- > 5000 Tonnen Gewicht
Standort:
- Ferney-Voltaire, Frankreich
Internationale Kollaboration:
- 19 Länder
- ≈ 1500 Mitarbeiter*innen
Deutsche Beteiligung:
- 6 Institute
- ≈ 90 Wissenschaftler*innen
- > 40 Doktorand*innen
- > 70 abgeschlossene Promotionen
Impressionen aus der LHCb-Kollaboration
BMBF-Forschungsschwerpunkt LHCb
Deutsche Universitäten und außeruniversitäre Forschungsinstitute beteiligen sich an der internationalen LHCb-Kollaboration. Finanziert werden sie durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über sogenannte Forschungsschwerpunkte (FSP). Zum FSP LHCb gehören die Universitäten Aachen, Bonn, Dortmund und Heidelberg. Sie werden unterstützt von Theoretiker*innen aus Siegen und Dortmund. Auch das Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg ist an LHCb beteiligt.
Die deutschen LHCb-Gruppen bringen in der internationalen Kollaboration ihre Expertise sowohl in Entwicklung und Bau als auch im Betrieb des Detektors ein. Die beteiligten Studierenden, Graduierten, Techniker*innen und Professor*innen haben sich dabei vor allem auf die Vorwärts-Spurkammern spezialisiert. So spielen die Wissenschaftler*innen in Heidelberg, Aachen und Dortmund eine wichtige Rolle in der Weiterentwicklung und dem Bau des sogenannten SciFi-Trackers und seiner Auslese-Elektronik. Die Universität Heidelberg leitet dieses Projekt in der internationalen Kollaboration.
Die TU Dortmund und die Universität Heidelberg führen außerdem die Entwicklung der einzigartigen „Trigger“-Software an, mit der alle Teilchen einer Kollision identifiziert und zurückverfolgt werden können. Diese Software dient dazu die interessanten Kollisionsereignisse herauszufiltern.
Darüber hinaus sind alle deutschen Institute auch maßgeblich an der der Analyse der gewonnenen Daten beteiligt.
Das Upgrade
Seit Beginn der Datenaufzeichnung am LHC im Jahr 2009 hat der LHCb-Detektor den weltgrößten Datensatz von b-Quark-Zerfällen aufgezeichnet. Das alleine schafft schon ideale Voraussetzungen für die detaillierte Untersuchung der B-Teilchen und die Suche nach seltenen Prozessen. Auch die vielen wissenschaftlichen Veröffentlichungen der letzten Jahre zeugen von diesem Erfolg.
Nach einer längeren Umbaupause für Beschleuniger und Detektoren läuft der LHC seit diesem Jahr mit noch höheren Energien und Kollisionsraten. Gleichzeitig wurden auch viele Komponenten des LHCb-Detektors ersetzt und auf den neuesten Stand gebracht. Seit diesem Upgrade kann LHCb alle 40 Millionen Ereignisse pro Sekunde in Software verarbeiten, um zu entscheiden, welche davon besonders interessant sind.
Eine neue Ära für den LHC
Um das Jahr 2030 wird eine neue Ära für den Large Hadron Collider beginnen: durch den Umbau zum sogenannten „High-Luminosity LHC“ soll die Kollisionsrate noch einmal um ein Vielfaches erhöht werden. Die Vorbereitungen hierzu laufen bereits auf Hochtouren, denn LHCb soll vollständig durch einen neuen Detektor ersetzt werden. Der neue LHCb-Detektor wird den schwierigeren Bedingungen, die der High-Luminosity LHC mit sich bringt, nicht nur gewachsen sein, sondern sie auch optimal nutzen können. Die deutschen LHCb-Gruppen sind hierbei vor allem an der Entwicklung der Spurdetektoren beteiligt.
Sprecherin des LHCb-Forschungsschwerpunkts
„Das LHCb-Experiment wurde gerade signifikant um- und ausgebaut. Die am FSP beteiligten Gruppen haben maßgeblich zum Design, dem Bau und der Inbetriebnahme des Fiber Trackers beigetragen und spielen eine führende Rolle im Real Time Analysis Projekt, dem neuen vollständig Software-basierten Trigger des LHCb-Experiments. Mit dem neuen Detektor steht uns eine sehr spannende Zeit der Forschung und Datenanalyse bevor.“
Prof. Dr. Stephanie Hansmann-Menzemer
Physikalisches Institut
Universität Heidelberg
Beteiligte Institutionen und assoziierte Mitglieder
