OPERA

OPERA war ein Neutrinoexperiment im Untergrundlabor Gran Sasso, das von 2008 bis 2012 einen Strahl vom CERN empfing — 730 Kilometer quer durch die Alpen und den Apennin. Seine Aufgabe: den Übergang von Myon-Neutrinos zu Tau-Neutrinos unmittelbar zu sehen.

Auftauchen statt Verschwinden

Die meisten Oszillationsexperimente messen, dass Neutrinos fehlen. Super-Kamiokande hatte 1998 gezeigt, dass Myon-Neutrinos auf dem Weg durch die Erde verschwinden. Wohin sie gehen, sah der Detektor nicht.

OPERA wollte genau das zeigen. Dafür musste es Tau-Neutrinos nachweisen — und die verraten sich nur dadurch, dass sie ein Tau-Lepton erzeugen.

Dieses Lepton lebt rund 0,3 Billionstel Sekunden und legt dabei weniger als einen Millimeter zurück, bevor es zerfällt. Man muss also eine sehr kurze Spur erkennen und darin einen Knick — die Stelle, an der das Tau zerfällt und seine Tochterteilchen in eine andere Richtung weiterfliegen.

Kein elektronischer Detektor löst das auf. Die feinsten Drahtkammern kommen auf einige zehntel Millimeter.

Ziegel aus Blei und Film

OPERAs Lösung war eine Rückkehr zu einer alten Technik. Der Detektor bestand aus rund 150.000 Ziegeln. Jeder war ein Stapel aus 56 Bleiplatten mit dazwischenliegenden photographischen Emulsionsschichten, wog gut acht Kilogramm und hatte etwa die Größe eines Schuhkartons. Zusammen ergaben sie 1.250 Tonnen.

Das Blei liefert die Masse, damit überhaupt eine Wechselwirkung stattfindet. Die Emulsion zeichnet die Spuren mit einer Auflösung von unter einem Mikrometer auf — tausendmal feiner als jeder elektronische Detektor.

Das Verfahren dahinter

Emulsion hat einen entscheidenden Nachteil: Sie speichert alles und lässt sich nicht auslesen wie ein Chip. Ein Film, der Jahre im Detektor liegt, sammelt Millionen unbrauchbarer Spuren.

Die Lösung war eine Arbeitsteilung. Zwischen den Ziegelwänden hingen elektronische Detektoren, die grob anzeigten, wo und wann etwas geschehen war. Ein Roboter holte daraufhin den betreffenden Ziegel aus der Wand, die Filme wurden entwickelt und automatisch mikroskopiert.

Damit war die Emulsion nicht länger ein passiver Speicher, sondern Teil eines Suchvorgangs. Das Verfahren erlaubte es, aus 150.000 Ziegeln jeweils genau den einen herauszugreifen, der etwas enthielt.

Das Ergebnis

Der erste Tau-Kandidat wurde 2010 gefunden. Bis 2015 waren es zehn.

Zehn Ereignisse aus Jahren Laufzeit klingt nach wenig und ist ein Triumph. Der erwartete Untergrund lag unter einem Ereignis; die statistische Signifikanz erreichte 6,1 Standardabweichungen — weit über der Schwelle von fünf, ab der die Teilchenphysik von einer Entdeckung spricht.

Damit war der Übergang νμ → ντ direkt belegt. Zusammen mit DONUT, das das Tau-Neutrino überhaupt erst nachgewiesen hatte, und den Verschwindemessungen war das Bild der Neutrinooszillation geschlossen.

Die Sache mit der Lichtgeschwindigkeit

2011 meldete OPERA, seine Neutrinos seien rund 60 Nanosekunden früher angekommen, als es Licht getan hätte. Die Nachricht ging um die Welt.

Bemerkenswert ist, wie die Kollaboration damit umging. Sie veröffentlichte den Befund ausdrücklich als ungeklärt, bat die Fachwelt um Prüfung und behauptete nicht, Einstein widerlegt zu haben. Der Sprecher sagte sinngemäß, man habe monatelang nach einem Fehler gesucht und keinen gefunden — deshalb lege man die Sache offen.

Die Prüfung fand die Ursache: ein nicht vollständig eingerasteter Lichtwellenleiterstecker in der Zeitmessung, dazu ein ungenau gehender Oszillator. Nach der Korrektur bewegten sich die Neutrinos mit Lichtgeschwindigkeit. 2012 bestätigten drei andere Gran-Sasso-Experimente das unabhängig, und OPERA selbst legte eine berichtigte Messung vor.

Der Vorgang gilt heute als Lehrstück — nicht wegen des Fehlers, den jeder machen kann, sondern wegen des offenen Umgangs damit.

Quellen

OPERA-Kollaboration: Discovery of τ Neutrino Appearance in the CNGS Neutrino Beam with the OPERA Experiment, Physical Review Letters 115, 121802 (2015).
OPERA-Kollaboration: Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam, JHEP 2012, 093 — berichtigte Fassung.