OPERA

OPERAはグランサッソ地下研究所で行われたニュートリノ実験であり、 2008年から2012年までCERNからのビームを受け取っていた。アルプスとアペニン山脈を横切る730 キロメートルである。その課題は、ミューニュートリノからタウニュートリノへの転移を直接に見ることであった。

消失ではなく出現

ほとんどの振動実験は、ニュートリノが欠けていることを測る。 Super-Kamiokandeは1998年に、ミューニュートリノが地球を通る途中で消えることを示した。それがどこへ行くのかは、この検出器には見えなかった。

OPERAはまさにそれを示そうとした。そのためにはタウニュートリノを検出しなければならない。そしてタウニュートリノは、タウ・レプトンをつくることによってしか自らを明かさない。

このレプトンの寿命はおよそ0.3 兆分の1秒であり、崩壊するまでに1 ミリメートルに満たない距離しか進まない。したがって非常に短い飛跡を見分け、その中に折れ曲がりを認めなければならない。タウが崩壊し、その娘粒子が別の方向へ飛び去る地点である。

電子的な検出器ではこれを分解できない。もっとも精細なワイヤーチェンバーでも数十分の1ミリメートルにとどまる。

OPERAの解決策は古い技術への回帰であった。検出器はおよそ150,000 個のれんがからなっていた。それぞれは56 枚の鉛板とそのあいだにはさまれた写真乳剤層の積み重ねで、重さは8 キログラム強、大きさはおおよそ靴箱ほどであった。合わせて1,250 トンになる。

鉛はそもそも相互作用が起こるための質量を与える。乳剤は1 マイクロメートル未満の分解能で飛跡を記録する。これはどの電子的な検出器よりも千倍精細である。

乳剤には決定的な欠点がある。すべてを蓄積してしまい、チップのように読み出すことができない。検出器の中に何年も置かれたフィルムは、使い物にならない飛跡を何百万も集めてしまう。

解決策は分業であった。れんがの壁のあいだには電子的な検出器が吊るされており、何かがどこで、そしていつ起こったかを粗く示した。それを受けてロボットが該当するれんがを壁から取り出し、フィルムが現像され、自動的に顕微鏡で調べられた。

これにより乳剤はもはや受動的な記録媒体ではなく、探索過程の一部となった。この手順によって、 150,000 個のれんがの中から、何かが記録されているまさにその一つを取り出すことができた。

最初のタウ候補は2010年に見いだされた。 2015年までにその数は10個になった。

何年もの稼働から10事象と聞くと少なく思えるが、これは大きな成果である。期待されるバックグラウンドは1事象未満であり、統計的な有意性は6.1 標準偏差に達した。素粒子物理学が発見と呼ぶ5という閾値をはるかに超えている。

これによりνμ → ντという転移が直接に証明された。そもそもタウニュートリノを検出したDONUTと、消失の測定とを合わせて、ニュートリノ振動の描像は閉じられた。

2011年、 OPERAは自らのニュートリノが光よりおよそ60 ナノ秒早く到着したと報告した。この知らせは世界を駆けめぐった。

注目すべきは、共同研究グループがこれをどう扱ったかである。彼らはこの知見を明確に未解明のものとして公表し、専門家に検証を求め、アインシュタインを反証したとは主張しなかった。代表者は、何か月も誤りを探したが見つからなかった、だからこの件を公開するのだ、という趣旨のことを述べた。

検証は原因を突き止めた。時間測定における完全に嵌合していない光ファイバーのコネクタと、さらに精度の狂った発振器である。補正ののち、ニュートリノは光速で運動していた。 2012年にはグランサッソのほかの三つの実験がこれを独立に確認し、 OPERA自身も訂正した測定結果を示した。

この経過は今日、教訓的な事例とみなされている。誰にでも起こりうる誤りのためではなく、それに対する開かれた対応のためである。

OPERA共同研究グループ: Discovery of τ Neutrino Appearance in the CNGS Neutrino Beam with the OPERA Experiment, Physical Review Letters 115, 121802 (2015).
OPERA共同研究グループ: Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam, JHEP 2012, 093 — 訂正版。