OPERA

Детектор OPERA в лаборатории Гран-Сассо во время монтажа, ноябрь 2005 года.
Детектор OPERA в лаборатории Гран-Сассо во время монтажа, ноябрь 2005 года.Фото: Mhier, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons

OPERA — нейтринный эксперимент в подземной лаборатории Гран-Сассо, который с 2008 по 2012 год принимал пучок из ЦЕРН — 730 километров поперёк Альп и Апеннин. Его задача: непосредственно увидеть переход мюонных нейтрино в тау-нейтрино.

Появление вместо исчезновения

Большинство осцилляционных экспериментов измеряют, что нейтрино недостаёт. Super-Kamiokande показал в 1998 году, что мюонные нейтрино исчезают на пути сквозь Землю. Куда они деваются, детектор не видел.

OPERA хотела показать именно это. Для этого ей нужно было зарегистрировать тау-нейтрино — а те выдают себя только тем, что порождают тау-лептон.

Этот лептон живёт около 0,3 триллионной доли секунды и проходит за это время меньше миллиметра, прежде чем распасться. Значит, нужно распознать очень короткий след и в нём излом — место, где тау распадается и его дочерние частицы летят дальше в другом направлении.

Ни один электронный детектор такого не разрешает. Самые тонкие проволочные камеры доходят до нескольких десятых миллиметра.

Кирпичи из свинца и плёнки

Решением OPERA стало возвращение к старой технике. Детектор состоял примерно из 150 000 кирпичей. Каждый представлял собой стопку из 56 свинцовых пластин с проложенными между ними слоями фотографической эмульсии, весил добрых восемь килограммов и был размером примерно с обувную коробку. Вместе они давали 1 250 тонн.

Свинец даёт массу, чтобы взаимодействие вообще произошло. Эмульсия записывает следы с разрешением менее микрометра — в тысячу раз тоньше, чем любой электронный детектор.

Метод, стоящий за этим

У эмульсии есть решающий недостаток: она хранит всё и не может быть считана, как чип. Плёнка, годами лежащая в детекторе, набирает миллионы негодных следов.

Решением стало разделение труда. Между стенами из кирпичей висели электронные детекторы, которые грубо указывали, где и когда что-то произошло. После этого робот доставал соответствующий кирпич из стены, плёнки проявляли и автоматически исследовали под микроскопом.

Тем самым эмульсия перестала быть пассивным накопителем и стала частью процесса поиска. Метод позволял выхватить из 150 000 кирпичей ровно тот один, в котором что-то было.

Результат

Первый тау-кандидат был найден в 2010 году. К 2015 году их стало десять.

Десять событий за годы работы звучит как мало и является триумфом. Ожидаемый фон был менее одного события; статистическая значимость достигла 6,1 стандартного отклонения — намного выше порога в пять, начиная с которого физика частиц говорит об открытии.

Тем самым переход νμ → ντ был доказан напрямую. Вместе с DONUT, который вообще впервые зарегистрировал тау-нейтрино, и с измерениями исчезновения картина нейтринных осцилляций оказалась замкнутой.

Дело о скорости света

В 2011 году OPERA сообщила, что её нейтрино пришли примерно на 60 наносекунд раньше, чем это сделал бы свет. Известие обошло весь мир.

Примечательно, как коллаборация с этим обошлась. Она опубликовала результат прямо как необъяснённый, попросила специалистов о проверке и не утверждала, что опровергла Эйнштейна. Представитель сказал по смыслу, что месяцами искали ошибку и не нашли ни одной — поэтому дело излагают открыто.

Проверка нашла причину: не до конца защёлкнутый разъём световода в тракте измерения времени, а к тому же неточно идущий генератор. После исправления нейтрино двигались со скоростью света. В 2012 году три других эксперимента Гран-Сассо подтвердили это независимо, а сама OPERA представила исправленное измерение.

Этот случай считается сегодня поучительным примером — не из-за ошибки, которую может допустить каждый, а из-за открытого обращения с ней.

Связанные понятия

Источники

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