Belle II-experimentet har samlat in data från fysiska mätningar i ungefär ett år. Efter flera års ombyggnadsarbete, både SuperKEKB elektron-positronacceleratorn och Belle II-detektorn har förbättrats jämfört med sina föregångare för att uppnå en 40 gånger högre datahastighet.

Forskare vid 12 institut i Tyskland är involverade i att konstruera och använda detektorn, utveckla utvärderingsalgoritmer och analysera data. Max Planck Institute for Physics gav ett betydande bidrag till utvecklingen av den mycket känsliga innersta detektorn, Pixel Vertex Detector.

Med hjälp av Belle II, forskare letar efter spår av ny fysik som kan förklara den ojämlika förekomsten av materia och antimateria och den mystiska mörka materien. En av de hittills oupptäckta partiklarna som Belle II-detektorn letar efter är Z′-bosonen – en variant av Z-bosonen, som fungerar som en utbytespartikel för den svaga interaktionen.

Så vitt vi vet, cirka 25% av universum består av mörk materia, medan synligt material står för knappt 5 % av energibudgeten. Båda formerna av materia attraherar varandra genom gravitationen. Mörk materia bildar alltså en sorts mall för fördelning av synlig materia. Detta kan ses, till exempel, i arrangemanget av galaxer i universum.

Länk mellan mörk och normal materia

Z′-bosonen kan spela en intressant roll i samspelet mellan mörk och synlig materia, (dvs. det kan vara ett slags förmedlare mellan de två formerna av materia). Z′-bosonen kan – åtminstone teoretiskt – vara resultatet av kollisionen av elektroner (materia) och positroner (antimateria) i SuperKEKB och sedan sönderfalla till osynliga mörka materiapartiklar.

Z′-bosonen kan alltså hjälpa forskare att förstå beteendet hos mörk materia. Vad mer, upptäckten av Z′-bosonen kan också förklara andra observationer som inte är förenliga med standardmodellen, den grundläggande teorin om partikelfysik.

Viktig ledtråd:Detektering av myonpar

Men hur kan Z′-bosonen detekteras i Belle II-detektorn? Inte direkt - så mycket är säkert. Teoretiska modeller och simuleringar förutspår att Z′-bosonen kan avslöja sig själv genom interaktioner med myoner, de tyngre släktingarna till elektroner. Om forskare upptäcker ett ovanligt stort antal myonpar med motsatt laddning efter elektron/positronkollisioner samt oväntade avvikelser i energi- och momentumbevarande, detta skulle vara en viktig indikation på Z′-bosonen.

Dock, de nya Belle II-data har ännu inte gett någon indikation på Z′-bosonen. Men med de nya uppgifterna, forskarna kan begränsa massan och kopplingsstyrkorna hos Z′-bosonen med en tidigare ouppnåelig noggrannhet.

Mer data, mer exakta analyser

"Trots den fortfarande lilla mängden data, vi kan nu göra mätningar som aldrig har gjorts förut, säger talespersonen för de tyska grupperna, Dr Thomas Kuhr från Ludwig Maximilian University of München. "Detta understryker den viktiga roll Belle II-experimentet har i studiet av elementarpartiklar."

Dessa initiala resultat kommer från analysen av en liten mängd data som samlades in under uppstartsfasen av SuperKEKB 2018. Belle II gick i full drift den 25 mars, 2019. Sedan dess, experimentet har samlat in data samtidigt som kollisionshastigheten för elektroner och positroner kontinuerligt har förbättrats.

Om experimentet är perfekt avstämt, det kommer att ge betydligt mer data än i de nyligen publicerade analyserna. Fysikerna hoppas alltså få nya insikter om mörk materias natur och andra obesvarade frågor.