Forscherinnen und Forscher suchen mit Mu3e-Experiment nach einem im Standardmodell extrem unwahrscheinlichen Teilchenzerfall und damit nach "neuer Physik"
12.04.2021
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat bundesweit neun neue Forschungsgruppen eingerichtet, wobei auch ein gemeinsamer Förderantrag von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Heidelberg, Mainz und Karlsruhe erfolgreich war. Im Mittelpunkt des Antrags steht das Mu3e-Experiment am schweizerischen Paul Scherrer Institut (PSI): Mit diesem Aufbau möchte eine internationale Forschungskollaboration nach dem Zerfall eines Myons (Mu) in drei Elektronen (3e) suchen. Nach dem Standardmodell wäre dieser Zerfall extrem unwahrscheinlich – und sein Nachweis im Experiment damit ein starker Hinweis auf eine bisher unbekannte Physik jenseits des Standardmodells. Für einen Zeitraum von vier Jahren stellt die DFG der neuen Forschungsgruppe insgesamt rund 4,6 Millionen Euro Fördermittel zur Verfügung, vor allem für den Bau der hochmodernen Teilchendetektoren.
Seitens der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) sind Prof. Dr. Niklaus Berger und sein Team am neuen Forschungsverbund beteiligt. "Aus früheren Experimenten wissen wir bereits, dass der Zerfall, den wir suchen, seltener als einmal in 1012 (tausend Milliarden) Zerfällen auftritt", erläutert der Experimentalphysiker am Exzellenzcluster PRISMA+. "Mit Mu3e wollen wir ihn finden oder in der ersten Phase ausschließen, dass er häufiger als einmal in 5x1014 (fünfhunderttausend Milliarden) Zerfällen auftritt. Dazu müssen wir über ein Jahr an reiner Messzeit jede Sekunde 100 Millionen Myonzerfälle beobachten."
Im Mittelpunkt der Forschungsgruppe "Suche nach Verletzung der Lepton-Familienzahl mit dem Mu3e-Experiment" steht daher vor allem der Bau der hochmodernen Teilchendetektoren, die eine mehr als einhundertfach höhere Empfindlichkeit für diese Suche nach der sprichwörtlichen Nadel im Heuhaufen aufweisen. "Dazu benötigen wir – neben einem der intensivsten Myonenstrahlen der Welt – einen Detektor, der schnell genug ist, all diese Zerfälle aufzuzeichnen. Gleichzeitig muss er möglichst dünn sein, damit die Zerfallsteilchen möglichst wenig streuen." In konkreten Zahlen bedeutet das: Es braucht einen Pixeldetektor – im Wesentlichen eine Digitalkamera mit einer Fläche von einem Quadratmeter und 300 Millionen Pixeln – der in der Lage ist, in jeder Sekunde 20 Millionen Bilder aufzunehmen. Die Kamera, inklusive Mechanik, Stromversorgung, Datenleitungen und so weiter, darf dabei nicht dicker sein als ein Haar.
Das allein ist schon unvorstellbar genug, doch es geht noch weiter: In der ersten Phase wird das Mu3e-Experiment in jeder Sekunde etwa 100 Gigabit Daten produzieren und würde damit in etwas mehr als einer Minute eine große Harddisk füllen. Um die Datenmenge zu reduzieren, versuchen die Forscher bereits im laufenden Experiment, interessante Zerfälle auszuwählen. Dazu muss ein schnelles Netzwerk zunächst in jeder Sekunde 20 Millionen Aufnahmen aus dem Detektor heraustransportieren, sortieren und sammeln. Dieses Auslesesystem wird speziell von der Mainzer Gruppe gebaut: "Dazu verwenden wir schnelle optische Links und programmierbare Logik", erläutert Prof. Dr. Niklaus Berger. "Unsere Gruppe baut und entwickelt darüber hinaus auch die Hard- und Software für die anschließende Onlineselektion, die aus diesen Daten in Echtzeit interessante Myonzerfälle heraussucht und festlegt, was gespeichert werden soll. Um in jeder Sekunde mehrere hundert Millionen Teilchenspuren zu finden und zu fitten, verwenden wir schnelle Grafikkarten, die auch in Computerspielen zum Einsatz kommen." Darüber hinaus hat die Gruppe zur Simulations- und Rekonstruktionssoftware des Experiments entscheidend beigetragen und die dünnen Pixelchips mitentwickelt. "Hier waren insbesondere Tests am Mainzer Teilchenbeschleuniger MAMI sehr hilfreich", so Berger.
Schließlich sind die Mainzer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auch an Aufbau und Inbetriebnahme des Mu3e-Experiments beteiligt, das in etwa zwei Jahren beginnen soll, Daten zu sammeln. Im Vollausbau wird das Experiment nochmals zwei Größenordnungen empfindlicher sein als in der ersten Phase: Dann soll es pro Sekunde eine Milliarde Myonzerfälle beobachten und könnte so ausschließen, dass der gesuchte Prozess häufiger als einmal in 1016 (zehn Millionen Milliarden) Zerfällen auftritt. Hierzu müssen die Detektoren noch weiter verbessert werden, was ebenfalls bereits Bestandteilteil der Forschungsgruppe ist. Sprecher ist Prof. Dr. André Schöning von der Universität Heidelberg.
Während die aktuelle Förderung vor allem für den Bau der Detektoren bestimmt ist, wurde deren Entwicklung durch eine Emmy-Noether-Förderung und aus Mitteln des Exzellenclusters PRISMA+ beziehungsweise des Vorgängers PRISMA finanziert. Dabei wird in Zusammenarbeit mit dem PRISMA-Detektorlabor in Mainz auch die anspruchsvolle Stromversorgung für das Experiment entwickelt.