OPERA: differenze tra le versioni
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[[File:OPERA-Experiment-Nov2005.jpg|alt=Il rivelatore di OPERA|miniatura|Il rivelatore di OPERA]]'''OPERA''' ([[acronimo]] di '''Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus''') è un [[esperimento]] di [[Fisica delle particelle|fisica delle alte energie]] progettato per studiare le [[oscillazione di neutrino|oscillazioni]] dei [[neutrino muonico|neutrini muonici]] in [[neutrino tauonico|neutrini tauonici]], ovvero la trasformazione dei neutrini di tipo muonico in neutrini di tipo tauonico, attraverso una osservazione diretta. È una collaborazione tra il [[CERN]] di [[Ginevra]] e i [[Laboratori Nazionali del Gran Sasso]] (LNGS) e usa il fascio di neutrini del progetto [[CERN Neutrinos to Gran Sasso]] (CNGS).
Il responsabile internazionale dell'esperimento è Giovanni De Lellis, dell'[[Università Federico II]] e dell'[[Istituto nazionale di fisica nucleare|INFN]] di Napoli.<ref>{{cita web|url=http://www.ilfattoquotidiano.it/2013/03/26/fisica-osservato-neutrino-trasformista-da-cern-e-infn/542745/#.UVRmqLWfwxg.facebook|titolo=Fisica, osservato un neutrino "trasformista" da Cern e Infn|data=26 marzo 2013|accesso=2 ottobre 2015}}</ref> Il precedente responsabile di OPERA è stato il [[fisica|fisico]] [[Antonio Ereditato]], che si è dimesso nel 2012.<ref>{{cita web|url=http://daily.wired.it/news/scienza/2012/03/30/dimissioni-ereditato-neutrini-luce-13964.html|titolo=Neutrini più veloci della luce: si dimette il fisico dell'esperimento|autore=Valentina Arcovio|data=30 marzo 2012|accesso=2 ottobre 2015}}</ref>
L'esperimento OPERA ha raccolto dati dal 2008 al 2012.
== Rivelatore ==
OPERA, situato nella Hall C dei laboratori sotterranei del Gran Sasso, è stato costruito tra il 2003 e il 2008. Il suo rivelatore, delle dimensioni di 10m x 10m x 20m e del peso di circa 4000 tonnellate, era costituito da due super-moduli (SM) identici, allineati lungo la direzione del fascio CNGS. Il rivelatore era basato su un apparato ibrido costituito sia da rivelatori elettronici che da rivelatori visuali (le emulsioni nucleari).
[[File:OPERA_detector_Scheme.pdf|miniatura|588x588px|OPERA detector Scheme]]
Il [[tauone]] che risulta dall'interazione di un neutrino tauonico viene osservato nelle Emulsion Cloud Chamber (ECC, dette "''brick''"), strutture modulari, delle dimensioni di 12.7 × 10.2 × 7.5 cm<sup>3</sup> e del peso di 8.3 kg ciascuno, realizzate alternando 56 lastre di piombo, materiale inerte e con alto Z, spesse 1 mm, a speciali lastre fotografiche chiamate [[emulsione nucleare|emulsioni nucleari]]<ref>{{Cita libro|titolo=Particle Physics Reference Library: Volume 2: Detectors for Particles and Radiation|url=http://link.springer.com/10.1007/978-3-030-35318-6|accesso=2021-09-11|data=2020|editore=Springer International Publishing|lingua=en|ISBN=978-3-030-35317-9|DOI=10.1007/978-3-030-35318-6}}</ref>, sensibili al passaggio delle particelle cariche. Le emulsioni nucleari consentono di ricostruire la traiettoria delle particelle cariche con una precisione inferiore al [[micron]], precisione necessaria a identificare il vertice di interazione di neutrino e il [[tauone]] presente nelle interazioni di [[neutrino tauonico]], data la sua breve vita media (2.9·10<sup>-13</sup> s).
Nell'intero rivelatore erano presenti 9 milioni di emulsioni nucleari, in circa 150 000 ''brick''.
I brick erano assemblati in modo da formare, in ogni super-modulo, 31 strutture piane parallele dette "parete" (''wall''), posta trasversalmente rispetto alla direzione del fascio, a cui erano accoppiati due piani di tracciatori costituiti da barre di [[scintillatore]] plastico (''Target Tracker''). Alla fine di ogni supermodulo era presente uno [[spettrometro]] magnetico per identificare i [[Muone|muoni]] e determinarne la carica e l’[[Impulso (fisica)|impulso]]. Durante la presa dati, il brick in cui è avvenuta l'interazione di neutrino era individuato in tempo reale dagli scintillatori e dagli spettrometri. Il brick contenente l'interazione veniva poi estratto dal muro per lo sviluppo chimico delle emulsioni, la scansione attraverso microscopio ottico e la ricerca topologica e cinematica dei decadimenti del [[tauone]].<ref>{{cita web|url=http://operaweb.lngs.infn.it/spip.php?rubrique39|titolo=Opera – The Opera Detector|editore=operaweb.lngs.infn.it|accesso=11 febbraio 2012|lingua=en|dataarchivio=11 febbraio 2019|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20190211183031/http://operaweb.lngs.infn.it/spip.php?rubrique39|urlmorto=sì}}</ref>
== Il fascio CNGS ==
Il fascio [[CERN Neutrinos to Gran Sasso|CNGS]] (CERN Neutrinos to Gran Sasso) era generato dall'acceleratore [[Super Proton Synchrotron|SPS]] del [[CERN]], partendo da un fascio di protoni a 400 [[Elettronvolt|GeV]] che veniva fatto collidere con un bersaglio di [[grafite]] all'interno del tunnel CNGS. Le particelle risultanti, [[Kaone|kaoni]] e [[Pione|pioni]], venivano quindi concentrate con una lente magnetica e viaggiavano per 1 km lungo il tunnel del CNGS in un tubo a vuoto. Queste particelle sono naturalmente instabili, e i loro prodotti di decadimento includono [[Muone|muoni]] e [[Neutrino muonico|neutrini muonici]]. Tra tutte le particelle, i neutrini sono gli unici che, interagendo raramente con la materia, continuano il loro tragitto inalterati, percorrendo 730 km attraverso la [[crosta terrestre]], fino ad arrivare al rivelatore di OPERA in 2.4 millisecondi. Un esperimento di questo tipo, in cui il fascio prodotto da un acceleratore è diretto verso un rivelatore distante centinaia di chilometri, viene detto ‘‘long-baseline’’.
L'energia media dei neutrini prodotti era 17 [[Elettronvolt|GeV]]. La contaminazione del fascio in termini di interazioni attese nel rivelatore era del 2.1% per [[Antineutrino|antineutrini]] muonici e inferiore all'1% per la somma di neutrini e [[Antineutrino|antineutrini]] elettronici, mentre la contaminazione di [[Neutrino tauonico|neutrini tau]] era trascurabile.
== Osservazioni sperimentali ==
=== Oscillazione del sapore dei neutrini ===
Il 31 maggio [[2010]], i ricercatori di OPERA hanno osservato il primo evento candidato ad essere un'oscillazione da neutrino muonico a tauonico.<ref>{{cita pubblicazione|autore=N. Agafonova ''et al.'' (OPERA Collaboration)|anno=2010|titolo=Observation of a first ν<sub>τ</sub> candidate event in the OPERA experiment in the CNGS beam|rivista=[[Physics Letters|Physics Letters B]]|volume=691|numero=3|pagine=138-145|arxiv=1006.1623|bibcode=2010PhLB..691..138A|doi=10.1016/j.physletb.2010.06.022}}</ref>
Nel campione di dati analizzato fino al 2015, corrispondente a 5408 interazioni ricostruite di neutrino, sono stati trovati in tutto cinque candidati neutrini tau<ref>{{Cita pubblicazione|nome=N.|cognome=Agafonova|nome2=A.|cognome2=Aleksandrov|nome3=O.|cognome3=Altinok|data=2010-07|titolo=Observation of a first ντ candidate event in the OPERA experiment in the CNGS beam|rivista=Physics Letters B|volume=691|numero=3|pp=138-145|lingua=en|accesso=2021-09-11|doi=10.1016/j.physletb.2010.06.022|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0370269310007537}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|cognome=The OPERA collaboration|nome2=N.|cognome2=Agafonova|nome3=A.|cognome3=Aleksandrov|data=2013-11|titolo=New results on ν μ → ν τ appearance with the OPERA experiment in the CNGS beam|rivista=Journal of High Energy Physics|volume=2013|numero=11|p=36|lingua=en|accesso=2021-09-11|doi=10.1007/JHEP11(2013)036|url=https://link.springer.com/10.1007/JHEP11(2013)036}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|cognome=OPERA Collaboration|nome2=N.|cognome2=Agafonova|nome3=A.|cognome3=Aleksandrov|data=2014-03-05|titolo=<nowiki>Evidence for ${\ensuremath{\nu}}_{\ensuremath{\mu}}\ensuremath{\rightarrow}{\ensuremath{\nu}}_{\ensuremath{\tau}}$ appearance in the CNGS neutrino beam with the OPERA experiment</nowiki>|rivista=Physical Review D|volume=89|numero=5|pp=051102|accesso=2021-09-11|doi=10.1103/PhysRevD.89.051102|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.89.051102}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|cognome=OPERA Collaboration|nome2=N.|cognome2=Agafonova|nome3=A.|cognome3=Aleksandrov|data=2014-10-28|titolo=Observation of tau neutrino appearance in the CNGS beam with the OPERA experiment|rivista=Progress of Theoretical and Experimental Physics|volume=2014|numero=10|pp=101C01–101C01|lingua=en|accesso=2021-09-11|doi=10.1093/ptep/ptu132|url=https://academic.oup.com/ptep/article-lookup/doi/10.1093/ptep/ptu132}}</ref><ref name=":0">{{Cita pubblicazione|nome=N.|cognome=Agafonova|nome2=A.|cognome2=Aleksandrov|nome3=A.|cognome3=Anokhina|data=2015-09-17|titolo=Discovery of τ Neutrino Appearance in the CNGS Neutrino Beam with the OPERA Experiment|rivista=Physical Review Letters|volume=115|numero=12|p=121802|lingua=en|accesso=2021-09-11|doi=10.1103/PhysRevLett.115.121802|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.115.121802}}</ref>, che soddisfacevano requisiti molto stringenti in modo da avere un rapporto segnale/fondo molto alto. Il fondo atteso, con tali requisiti stringenti, era di 0.25±0.05 eventi, pertanto l'osservazione di cinque candidati ha permesso di dichiarare la scoperta dell'oscillazione dei [[Neutrino muonico|neutrini muonici]] in [[Neutrino tauonico|neutrini tauonici]], grazie a osservazione diretta, con un livello di significatività di 5.1σ<ref name=":0" />. Questo risultato è stato citato nel background scientifico del [[Vincitori del premio Nobel per la fisica|Premio Nobel per la Fisica del 2015]], dato per la scoperta delle oscillazioni di neutrino<ref>{{Cita web|url=https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2015-1.pdf|titolo=Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2015 NEUTRINO OSCILLATIONS compiled by the Class for Physics of the Royal Swedish Academy of Sciences}}</ref>.
Nel 2018 la Collaborazione OPERA ha pubblicato i risultati finali sull'oscillazione dei neutrini muonici in neutrino tauonici utilizzando l'intero campione di dati, corrispondente a 5603 interazioni ricostruite di neutrino. In questa seconda fase è stato scelto di utilizzare una selezione meno stringente per la selezione dei candidati, a fronte di una analisi fatta con tecniche di [[Apprendimento automatico|machine learning]], che consentono di distinguere il segnale dal fondo attraverso l'insieme delle caratteristiche dell'interazione. In questo modo sono stati trovati dieci candidati neutrino tau ed è stato possibile misurare, con una incertezza statistica inferiore, i parametri dell'oscillazione<ref name=":1">{{Cita pubblicazione|nome=N.|cognome=Agafonova|nome2=A.|cognome2=Alexandrov|nome3=A.|cognome3=Anokhina|data=2018-05-22|titolo=Final Results of the OPERA Experiment on ν τ Appearance in the CNGS Neutrino Beam|rivista=Physical Review Letters|volume=120|numero=21|p=211801|lingua=en|accesso=2021-09-11|doi=10.1103/PhysRevLett.120.211801|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.120.211801}}</ref> e la sezione d'urto del neutrino tau su Piombo<ref name=":1" />.
=== Altri risultati dell'esperimento OPERA ===
Un riassunto dei principali risultati ottenuti dall'esperimento OPERA si può trovare [http://dx.doi.org/10.1142%2FS0217732321300044 qui]<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Giovanni|cognome=De Lellis|nome2=Giuliana|cognome2=Galati|data=2021-02-28|titolo=The major achievements of the OPERA experiment and its legacy|rivista=Modern Physics Letters A|volume=36|numero=06|p=2130004|lingua=en|accesso=2021-09-11|doi=10.1142/S0217732321300044|url=https://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0217732321300044}}</ref>. Questi riguardano:
* Misura del rapporto delle cariche dei [[Muone|muoni]] atmosferici con energia dell'ordine dei TeV<ref>{{Cita pubblicazione|nome=N.|cognome=Agafonova|nome2=A.|cognome2=Aleksandrov|nome3=A.|cognome3=Anokhina|data=2014-07|titolo=Measurement of the TeV atmospheric muon charge ratio with the complete OPERA data set: To the memory of Prof. G. Giacomelli.|rivista=The European Physical Journal C|volume=74|numero=7|p=2933|lingua=en|accesso=2021-09-11|doi=10.1140/epjc/s10052-014-2933-0|url=http://link.springer.com/10.1140/epjc/s10052-014-2933-0}}</ref>
* Misura della variazione del flusso stagionale dei muoni cosmici<ref>{{Cita pubblicazione|nome=N.|cognome=Agafonova|nome2=A.|cognome2=Alexandrov|nome3=A.|cognome3=Anokhina|data=2019-10-01|titolo=Measurement of the cosmic ray muon flux seasonal variation with the OPERA detector|rivista=Journal of Cosmology and Astroparticle Physics|volume=2019|numero=10|pp=003-003|accesso=2021-09-11|doi=10.1088/1475-7516/2019/10/003|url=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2019/10/003}}</ref>
* Studio della molteplicità degli [[Adrone|adroni]] carichi in interazioni di corrente carica su Piombo<ref>{{Cita pubblicazione|nome=N.|cognome=Agafonova|nome2=A.|cognome2=Aleksandrov|nome3=A.|cognome3=Anokhina|data=2018-01|titolo=Study of charged hadron multiplicities in charged-current neutrino–lead interactions in the OPERA detector|rivista=The European Physical Journal C|volume=78|numero=1|p=62|lingua=en|accesso=2021-09-11|doi=10.1140/epjc/s10052-017-5509-y|url=http://link.springer.com/10.1140/epjc/s10052-017-5509-y}}</ref>
* Oscillazione di neutrino elettronico in neutrino tau<ref name=":2">{{Cita pubblicazione|cognome=The OPERA collaboration|nome2=N.|cognome2=Agafonova|nome3=A.|cognome3=Aleksandrov|data=2018-06|titolo=Final results of the search for νμ → νe oscillations with the OPERA detector in the CNGS beam|rivista=Journal of High Energy Physics|volume=2018|numero=6|p=151|lingua=en|accesso=2021-09-11|doi=10.1007/JHEP06(2018)151|url=https://link.springer.com/10.1007/JHEP06(2018)151}}</ref>
* Mixing model con tre sapori di neutrino<ref name=":2" />
* Mixing model con tre sapori di neutrino più un [[neutrino sterile]]<ref name=":2" />
* Prima osservazione di interazione di neutrino tau con produzione di adrone contenente il quark charm<ref>{{Cita pubblicazione|nome=N.|cognome=Agafonova|nome2=A.|cognome2=Aleksandrov|nome3=A.|cognome3=Anokhina|data=2020-08|titolo=First observation of a tau neutrino charged current interaction with charm production in the OPERA experiment: OPERA Collaboration|rivista=The European Physical Journal C|volume=80|numero=8|p=699|lingua=en|accesso=2021-09-11|doi=10.1140/epjc/s10052-020-8160-y|url=https://link.springer.com/10.1140/epjc/s10052-020-8160-y}}</ref>
* Parametri di oscillazione usando un'analisi combinata dei tre sapori: tauonico, muonico ed elettronico<ref>{{Cita pubblicazione|nome=N.|cognome=Agafonova|nome2=A.|cognome2=Alexandrov|nome3=A.|cognome3=Anokhina|data=2019-09-06|titolo=Final results on neutrino oscillation parameters from the OPERA experiment in the CNGS beam|rivista=Physical Review D|volume=100|numero=5|p=051301|lingua=en|accesso=2021-09-11|doi=10.1103/PhysRevD.100.051301|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.100.051301}}</ref>
=== Anomalia sulla velocità dei neutrini ===
Nel settembre [[2011]] i ricercatori che collaborano all'esperimento hanno pubblicato su [[arXiv]] un preprint in cui affermavano di aver trovato un'anomalia nel tempo di volo dei neutrini: essi infatti sembravano avere una velocità superiore a [[Velocità della luce|quella della luce]].<ref>{{Cita pubblicazione|autore= (PrePrint) The OPERA Collaboration|titolo= Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam|anno= 2011|rivista= [[arXiv]]|url=https://arxiv.org/pdf/1109.4897v1|lingua=en}}</ref> Nuove misure, pubblicate nel novembre dello stesso anno, ottenute grazie a fasci di neutrini più stretti e con una separazione temporale minore sembravano confermare i risultati ottenuti in precedenza
== Open Data ==
La collaborazione OPERA ha reso pubblici i propri dati attraverso il [http://opendata.cern.ch/ CERN Open Data Portal]<ref>{{Cita web|url=http://opendata.cern.ch/docs/opera-news-first-release-2018|titolo=Release of the first set of data samples by the OPERA Collaboration}}</ref><ref>{{Cita web|url=http://opendata.cern.ch/docs/opera-releases-charm-nue-samples-2020|titolo=The OPERA Collaboration releases new data samples: neutrino-induced charmed hadron production and electron neutrino interactions}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://home.cern/news/press-release/cern/opera-collaboration-presents-its-final-results-neutrino-oscillations-all|titolo=OPERA collaboration presents its final results on neutrino oscillations. All data publicly available on the CERN Open Data Portal}}</ref>. In questo modo, anche i ricercatori che non fanno parte della collaborazione OPERA potranno utilizzarli per condurre nuove ricerche. Inoltre, i dati messi a disposizione sono arricchiti da informazioni e strumenti di visualizzazione che ne aiutano l’interpretazione e l’utilizzo per scopi didattici. Questi di OPERA sono i primi dati non prodotti a LHC e le uniche interazioni di neutrini messe a disposizione sul portale Open Data del CERN, un programma lanciato nel 2014.
Una descrizione del campione di dieci neutrini tauonici è stata pubblicata sulla rivista scientifica [https://www.nature.com/sdata Scientific Data] di ''[[Nature]].''<ref>{{Cita pubblicazione|nome=N.|cognome=Agafonova|nome2=A.|cognome2=Alexandrov|nome3=A.|cognome3=Anokhina|data=2021-08-12|titolo=OPERA tau neutrino charged current interactions|rivista=Scientific Data|volume=8|numero=1|p=218|lingua=en|accesso=2021-09-11|doi=10.1038/s41597-021-00991-y|url=https://www.nature.com/articles/s41597-021-00991-y}}</ref>
== Note ==
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[[Categoria:Esperimenti del CERN]]
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