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{{Dieser Artikel|beschreibt das Beschleunigerexperiment. Für das Experiment zur Überprüfung von lokal-realistische Erklärung der Quantenmechanik siehe [[Bell-Experiment]].}}[[Datei:The BELLE Detector.jpg|mini|Der Belle-Detektor am [[KEKB]].]]
Das '''Belle-Experiment''' befand sich im japanischen Forschungszentrum für Teilchenphysik [[KEK (Forschungszentrum)|KEK]] und diente zur Untersuchung von [[B-Physik]]. Von 1999 bis 2010 wurden dabei insgesamt 772 Millionen Zerfälle von [[B-Meson]]en aufgezeichnet und ausgewertet. Ein vergleichbares Experiment, das [[BaBar-Experiment]], befand sich in den USA. Nach dem Ende der Datennahme wurde das Experiment inkl. Beschleuniger und Detektor umgebaut, das Nachfolgeexperiment [[#Belle-II-Experiment|Belle II]] läuft seit 2018.

Das Belle-Experiment hat über vierhundert wissenschaftliche Ergebnisse publiziert, darunter

* die Entdeckung der [[CP-Verletzung]], das heißt der Verletzung der Symmetrie zwischen Materie und [[Antimaterie]], im [[B-Meson]]en-System.<ref>K. Abe u. a. (Belle Collaboration): ''Observation of Large <math>CP</math> Violation in the Neutral <math>B</math> Meson System'' (Artikelnr. 091802). In: ''[[Physical Review Letters]].'' Bd. 87, Nr. 9, 2001 ([[doi:10.1103/PhysRevLett.87.091802]]).</ref> Diese Beobachtung hat gezeigt, dass sich CP-Verletzung in der Natur in mehr als einem teilchenphysikalischen System manifestiert, nämlich mindestens im [[K-Meson]]en-System und im B-Mesonen-System.

* die Entdeckung von neuen [[Pinguin-Diagramm|Pinguin-Zerfällen]], insbesondere <math>B \to K l^+ l^-</math><ref>K. Abe u. a. (Belle Collaboration): ''Observation of the Decay <math>B \to K l^+ l^-</math>'' (Artikelnr. 021801). In: ''Physical Review Letters.'' Bd. 88, Nr. , 2003 ([[doi:10.1103/PhysRevLett.88.021801]]).</ref> und <math>b \to d \gamma</math>.<ref>D. Mohapatra u. a. (Belle Collaboration): ''Observation of <math>b \to d\gamma</math> and Determination of <math>|V_{td}/V_{ts}|</math>'' (Artikelnr. 221601). In: ''Physical Review Letters.'' Bd. 96, Nr. 22, 2006 ([[doi:10.1103/PhysRevLett.96.221601]]).</ref> Pinguin-Zerfälle sind eine Möglichkeit, nach neuen, bisher unbeobachteten Teilchen zu suchen, die nicht im [[Standardmodell]] vorkommen.

* die Entdeckung mehrerer [[Tetraquark]]-Kandidaten, wie das X(3872)<ref>S.-K. Choi u. a. (Belle Collaboration): ''Observation of a Narrow Charmoniumlike State in Exclusive <math>B^{\pm} \to K^{\pm}\pi^+\pi^-J/\psi</math> Decays'' (Artikelnr. 262001). In: ''Physical Review Letters.'' Bd. 91, Nr. 26, 2003 ([[doi:10.1103/PhysRevLett.91.262001]]).</ref> und das Z(4430).<ref>S.-K. Choi u. a. (Belle Collaboration): ''Observation of a Resonancelike Structure in the <math>\pi^{+-}\psi'</math> Mass Distribution in Exclusive <math>B \to \pi^{+-}\psi'</math> Decays'' (Artikelnr. 142001). In: ''Physical Review Letters.'' Bd. 100, Nr. 14, 2008 ([[doi:10.1103/PhysRevLett.100.142001]]).</ref> Letzteres trägt eine elektrische Ladung und wird daher oft als das erste, zweifelsfrei mit einem Experiment nachgewiesene [[Hadron]] angesehen, welches mit einer Minimalkonfiguration von vier Quarks aufgebaut sein muss, und deswegen weder ein [[Meson]] noch ein [[Baryon]] darstellen kann.<ref>[https://www.spektrum.de/magazin/erstmals-gebilde-aus-vier-quarks-nachgewiesen/1309304 ''Ein neuer Exot im Teilchenzoo''] bei Spektrum der Wissenschaft, 19. September 2014</ref>

Einer der [[Nobelpreis für Physik|Physik-Nobelpreise]] 2008 erging an [[Makoto Kobayashi (Physiker)|Makoto Kobayashi]], den früheren Direktor der INPS-Abteilung (Institute of Particle and Nuclear Studies) des KEK. Ausdrücklich erwähnt wurde in der Begründung für die Preisverleihung das Belle-Experiment, das maßgeblich zur Bestätigung der [[CKM-Matrix|theoretischen Vorhersagen von Kobayashi und anderen]] beigetragen hat.

== Geschichte ==
Die japanische Regierung hat Ende 2009 entschieden, das Belle-Experiment und den [[KEKB]]-Beschleuniger zu Belle II und SuperKEKB auszubauen. Einer der Gründe hierfür war der erfolgreiche Betrieb des Belle-Experiments, mit dem Höhepunkt der Entdeckung von Oszillationen von B-Mesonen und der Vermessung von zeitabhängiger [[CP-Verletzung]]. Diese Entdeckung führte zur Verleihung des [[Nobelpreis für Physik|Physik-Nobelpreises]] 2008 an [[Makoto Kobayashi (Physiker)|Makoto Kobayashi]], den früheren Direktor der INPS-Abteilung (Institute of Particle and Nuclear Studies) des KEK, sowie [[Yōichirō Nambu]] und [[Toshihide Masukawa]].

Im Februar 2016 zirkulierten erste Teilchenstrahlen in SuperKEKB.<ref>{{Internetquelle |url=https://home.cern/about/updates/2016/03/congratulations-superkekb-first-turns |titel=Congratulations to SuperKEKB for “first turns" |datum=2016-03-02 |zugriff=2017-11-23}}</ref> Von April<ref>{{Internetquelle |url=https://www.symmetrymagazine.org/article/first-collisions-at-belle-ii |titel=First collisions at Belle II |datum=2018-04-25 |zugriff=2018-07-10}}</ref> bis Juli 2018 wurden erste Kollisionsdaten gesammelt, allerdings bei niedriger Kollisionsrate und noch ohne die innersten Spurdetektoren.

Am 25. März 2019 konnten mit dem nunmehr fast vollständigen Detektor (nur die Hälfte des Pixeldetektors ist installiert) die ersten Kollisionen des eigentlichen Physikprogramms aufgezeichnet werden<ref>{{Internetquelle |url=https://www.kek.jp/en/newsroom/2019/03/25/2030/ |titel=Kick-off of the Belle II Phase 3 Physics Run |datum=2019-03-25 |zugriff=2019-03-26}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://www.desy.de/aktuelles/news_suche/index_ger.html?openDirectAnchor=1604&two_columns=0 |titel=B-Fabrik geht in Serienproduktion |datum=2019-03-25 |zugriff=2019-04-05}}</ref>. Der vollständige Pixeldetektor wurde 2023 installiert<ref>{{Internetquelle |url=https://www.belle2.de/news-detail/made-in-germany-und-big-in-japan-pixel-vertex-detektor-in-belle-ii-experiment-installiert |titel=Made in Germany und big in Japan: Pixel-Vertex-Detektor in Belle II-Experiment installiert |datum=2023-08-03 |sprache=de |abruf=2024-11-06}}</ref>.

== Belle-II-Experiment ==
Das '''Belle-II-Experiment''' befindet sich am [[Japan|japanischen]] Forschungszentrum für [[Teilchenphysik]] [[KEK (Forschungszentrum)|KEK]] und beschäftigt sich wie schon das Vorgängerexperiment Belle mit [[B-Physik]]. Die geplanten Studien entsprechend weitgehend dem Programm des Vorgängerexperiments, werden aber eine wesentlich bessere Messgenauigkeit erreichen. Zusätzlich sollen viele Größen zum ersten Mal vermessen werden.<ref>{{Internetquelle |url=https://belle2.jp/discover/ |titel=Belle II: search for physics beyond LHC |zugriff=2017-11-23}}</ref> Im Gegensatz zu Experimenten wie [[ATLAS (Detektor)|ATLAS]] und [[Compact Muon Solenoid|CMS]] am [[Large Hadron Collider|LHC]] am [[CERN]] arbeitet das Belle-II-Experiment nicht im Hochenergiesektor, sondern im Hochpräzisionssektor. Dies bedeutet, dass neue Physik jenseits des [[Standardmodell|Standardmodells]] nicht primär durch die direkte Erzeugung neuer Teilchen bei hohen [[Energie|Energien]] gesucht wird, sondern durch die exakte Vermessung von seltenen Prozessen, in Belle II vor allem durch die Untersuchung von Zerfällen von [[B-Meson|B-Mesonen]]. Um dies zu erreichen, wird der [[SuperKEKB]]-[[Teilchenbeschleuniger|Beschleuniger]] bei einer Energie von 10,580 [[GeV]] im [[Schwerpunktsystem]] betrieben, was der Masse der [[Υ-Meson|Y(4S)]]-Resonanz entspricht. Aus diesem Grund werden SuperKEKB und Belle II auch als [[B-Fabrik|B-Fabriken]] bezeichnet.

== SuperKEKB ==
[[Datei:SuperKEKB at Belle II detector 04.jpg|mini|Ein Teil des Beschleunigerrings des SuperKEKB.]]
Der SuperKEKB ist ein asymmetrischer [[Elektron]]-[[Positron]] [[Teilchenbeschleuniger]]. Er besteht aus zwei Ringen, auf denen diese in entgegengesetzte Richtungen beschleunigt werden. Die Elektronen werden im Hochenergiering (HER) auf eine Energie von 7 GeV beschleunigt, die Positronen im Niedrigenergiering (LER) auf 4 GeV. Im Gegensatz zu KEKB Energien von 8 GeV im HER für Elektronen und 3,5 GeV im LER für Positronen verringert sich dadurch der [[Spezielle Lorentztransformation|Boost]] von 0,43 auf 0,28. Um trotz dieser Veränderung weiterhin Untersuchungen der zeitabhängigen CP-Verletzung durchführen zu können, wird Belle II im Gegensatz zu Belle mit einem Pixeldetektor in unmittelbarer Nähe zum Interaktionspunkt ausgestattet.

SuperKEKB arbeitet bei den gleichen Schwerpunktsenergien wie KEKB, soll aber eine um einen Faktor 30 höhere Kollisionsrate erreichen.<ref name="lumiprojection2">{{Internetquelle |url=https://www-superkekb.kek.jp/documents/luminosityProjection_170310.pdf |titel=SuperKEKB luminosity projection |zugriff=2017-11-23}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://www-superkekb.kek.jp/ |titel=SuperKEKB Project |zugriff=2017-11-23}}</ref> Damit soll innerhalb von einigen Jahren insgesamt 50 a[[Barn|b]]−1 integrierte [[Luminosität]] erreicht werden, 50-mal so viel wie mit KEKB (0,99 ab−1). Die Erhöhung der Kollisionsrate wird zum einen durch die Erhöhung der Ströme der Elektronen und Positronen in den Strahlröhren erreicht, zum anderen durch die starke Fokussierung der Strahlen im Interaktionspunkt auf 10 µm in horizontaler und 50 nm in vertikaler Richtung.<ref>{{Internetquelle |url=https://arxiv.org/pdf/1809.01958.pdf |titel=SuperKEKB Collider |zugriff=2018-11-19}}</ref> Diese Konfiguration wird als ''Nano-Beam''-Konfiguration bezeichnet.

== Der Belle-II-Detektor ==
Der Belle-II-Detektor besteht aus mehreren spezialisierten Subdetektoren, die sich in drei klar abgegrenzte Bereiche gliedern: den zylindrischen Bereich um das Strahlrohr (Barrel), das rückwärtige Endkappe in Richtung des LER-Strahls und die vordere Endkappe in Richtung des HER-Strahls. Im Folgenden wird vor allem der Aufbau des Barrels von innen nach außen erklärt.
[[Datei:Belle II detector beam pipe.jpg|mini|322x322px|Das Strahlrohr von Belle-II.]]

=== Strahlrohr ===
Im Zentrum des Detektors liegt das Strahlrohr. Beide der Elektronen und der Positronenstrahl treffen sich dort im sog. Interaktionspunkt. Dort interagiert ein Teil der Teilchen und produziert die B-Mesonen, die im äußeren Teil des Detektors analysiert werden. Das Strahlrohr besteht aus einer 10 µm dicken Goldschicht zur Unterdrückung von [[Synchrotronstrahlung]], gefolgt von einer 0,6 mm dicken [[Beryllium]]<nowiki/>schicht, einem 1 mm breiten Zwischenraum zur Kühlung mit gefolgt von einer weiteren 0,4 mm dicken Berylliumschicht.<ref>{{Literatur |Autor=I. Adachi, T. E. Browder, P. Križan, S. Tanaka, Y. Ushiroda |Titel=Detectors for extreme luminosity: Belle II |Sammelwerk=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment |Band=907 |Datum=2018-11-01 |Reihe=Advances in Instrumentation and Experimental Methods (Special Issue in Honour of Kai Siegbahn) |ISSN=0168-9002 |DOI=10.1016/j.nima.2018.03.068 |Seiten=46–59 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0168900218304200 |Abruf=2025-05-16}}</ref>

=== Spurdetektoren ===
Die nächste Schicht im Barrel-Detektor sind sog. Tracking Detektoren. Diese liefern Positionsdaten über die meisten durchfliegenden Teilchen. Das ist wichtig, damit später der Weg den die Teilchen durch den Detektor genommen haben zu rekonstruieren. Dafür sorgen drei Spurdetektoren: der Pixeldetektor, der Silizium [[Vertex#Kern- und Teilchenphysik|Vertex]] Detektor und die Zentrale [[Driftkammer]]. Alle drei Detektoren können Teilchen mit einem Winkel zwischen 17° und 150° relativ zum Strahlrohr messen.<ref name=":0">{{Internetquelle |autor=T. Abe et al. |url=https://arxiv.org/abs/1011.0352 |titel=Belle II Technical Design Report |datum=2010-11-01 |abruf=2025-05-16}}</ref>

==== Pixel Detektor ====
Der Pixeldetektor besteht aus zwei Schichten von Detektormodulen. Die innere Schicht enthält 8 Module in 10 mm Entfernung vom Interaktionspunkt, die äußere Schicht 12 Module in 12 mm Abstand. Da der Pixeldetektor der nächstgelegene Detektor zum Interaktionspunkt} ist und Belle-II eine hohe Luminosität aufweist, ist der Einsatz von Silizium-Streifendetektoren hier nicht möglich. Stattdessen kommen Pixeldetektoren auf basierend auf [[DePFET-Detektor|DePFET]]-Technologie zum Einsatz.<ref name=":0" /> Insgesamt besteht der Detektor aus etwa acht Millionen [[Pixel|Pixeln]], wobei jedes Pixel nur etwa 50 × 75 µm2 groß ist. Daten werden mit einer Wiederholfrequenz von 50 kHz ausgelesen, was zu einer sehr hohen zu verarbeitenden Datenmenge von mehr als 20 Gigabyte pro Sekunde führt; die Daten werden mittels [[Anwendungsspezifische integrierte Schaltung|ASIC]]-, [[Field Programmable Gate Array|FPGA]]- und optischer Technologie (zum Datentransfer mit hoher Bandbreite) in Echtzeit verarbeitet. Die Ausleseelektronik wurde dabei außerhalb des Messbereichs platziert um Mehrfachstreuung der Teilchen daran zu vermeiden. Vertexkoordinaten von Spuren aus dem Zerfall von B-Mesonen werden damit bis zu einer Genauigkeit von 25 µm bestimmt werden, was etwa um einen Faktor 2 genauer ist als beim Belle-Experiment. Der Pixeldetektor ist der deutsche Beitrag zum Belle-II-Detektor.<ref name=":1">{{Internetquelle |url=https://belle2.jp/detector/ |titel=The Belle II Detector |zugriff=2017-11-23}}</ref>

==== Silizium Vertex Detektor ====
Aufgrund seines größeren Abstands zum Interaktionspunkt ist die Trefferanzahl im Silizium Vertex Detektor geringer als im Pixeldetektor, was den Einsatz von Silizium-Streifendetektoren ermöglicht. Der Silizium Vertex Detektor besteht aus vier doppelseitigen Schichten von Silizium-Streifendetektoren in einem Abstand von 38 mm bis 140 mm zum Interaktionspunkt. Die äußeren Bereiche in Richtung der vorderen Endkappe sind zur Mitte hin geneigt, um den Akzeptanzbereich zu vergrößern.<ref name=":0" />
[[Datei:Belle II CDC Construction.jpg|mini|Arbeiten an der zentralen Driftkammer des Belle-II-Experiments.]]

==== Zentrale Driftkammer ====
Die zentrale [[Driftkammer]] erstreckt sich von 160 mm bis 1130 mm und ist mit einem Gasgemisch aus je 50 % [[Helium]] und 50 % [[Ethan]] gefüllt. Ein elektrisches Feld wird durch 42.420 Aluminium-Felddrähte erzeugt, das geladene Teilchen zur [[Ionisation]] des Gases anregt. Diese Ionisation wird von 14.336 Wolfram-Sensordrähten detektiert, wodurch eine präzise Vermessung der helikalen Bahnen der Teilchen möglich ist. Zusätzlich unterstützt die zentrale Driftkammer die Teilchenidentifikation durch Messung des Energieverlusts pro Wegstrecke.<ref name=":0" />

=== Teilchenidentifikation ===
Die Endkappen nutzen ein [[Ring-imaging Cherenkov detector|RICH]]-System, im zentralen Bereich werden die [[Photon|Photonen]] in [[Quarz|Quarzblöcken]] geführt und die Flugzeit bis zum Ende der Blöcke vermessen. Die Position bzw. die Flugzeit der Photonen erlaubt es, den Emissionswinkel der Strahlung zu berechnen und dadurch den Teilchentyp zu bestimmen.<ref name=":1" />

=== Kalorimeter ===
Das [[Kalorimeter (Teilchenphysik)|Kalorimeter]] besteht aus 6.624 CsI(Tl)-Kristallen mit [[Photodiode|Fotodioden]] an den Enden. Es detektiert Teilchen, die [[Elektromagnetischer Schauer|elektromagnetische]] und [[Hadronischer Schauer|hadronische Schauer]] in den Kristallen auslösen. Seine Hauptaufgabe ist die Detektion von [[Photon|Photonen]] im Energiebereich von 50 MeV bis 4 GeV sowie von neutralen [[Hadron|Hadronen]]. Darüber hinaus können auch geladene Teilchen gemessen und Elektronen von Hadronen unterschieden werden.<ref name=":0" /> Das Kalorimeter konnte größtenteils vom Belle-Detektor übernommen werden.

=== Solenoid-Magnet ===
Das Kalorimeter wird von einem [[Supraleiter|supraleitenden]] [[Zylinderspule|Solenoid-Magneten]] umschlossen, welcher ein annähernd homogenes [[Magnetismus|Magnetfeld]] von 1,5 [[Tesla (Einheit)|T]] in Strahlrichtung erzeugt. Dieses wird benötigt, um die Bahn von geladenen Teilchen zu krümmen um über den Bahnradius den [[Impuls#Spezielle Relativitätstheorie|Impuls]] der geladenen Teilchen zu bestimmen. Der Magnet umfasst ein zylindrisches Volumen mit 3,4 m Durchmesser und 4,4 m Länge. Die Eisenstruktur des [[Kaon]] und [[Myon]] Detektors dient als Rückflussjoch.<ref name=":0" />

=== Kaon und Myon Detektor ===
Der Kaon und Myon Detektor befindet sich außerhalb des Solenoid-Magneten und ist ein Sampling-Kalorimeter, in dem langlebigen Kaonen (KL) hadronische Schauer erzeugen können. Die Eisenplatten dienen hier als Absorbermaterial zwischen den aktiven Detektorelementen.<ref name=":0" />

== Weblinks ==
{{Commonscat|Belle experiment|Belle-Experiment}}
* [https://belle.kek.jp/ Website des Belle-Experimentes] (englisch/japanisch)
* [https://belle2.jp/ Website des Belle-II-Experiments (englisch)]
* [https://www.belle2.org/ (Interne) Website des Belle-II-Experimentes (englisch)]
* [https://www.belle2.de/ Website der deutschen Sektion von Belle und Belle II]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Kern- und Teilchenphysikexperiment]]
[[Kategorie:Internationales Forschungsprojekt]]
[[Kategorie:Tsukuba (Ibaraki)]]

Belle-Experiment - Versionsgeschichte

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