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OPERA

esperimento di fisica
Versione del 11 set 2021 alle 21:25 di Giulianagal (discussione | contributi) (→Rivelatore)

OPERA (acronimo di Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) è un esperimento di fisica delle alte energie progettato per studiare le oscillazioni dei neutrini muonici in neutrini tauonici. 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 fascio di neutrini muonici viene prodotto nell'acceleratore SPS del CERN dove un fascio di protoni viene accelerato per poi colpire un bersaglio di carbonio. In questa fase vengono prodotti pioni e kaoni che, decadendo, danno origine a muoni e neutrini muonici. Per indirizzare i neutrini, il fascio di mesoni viene focalizzato mediante una tromba magnetica.[1] Il fascio viaggia quindi sotto terra per 730 km dal CERN fino ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, coprendo tale distanza 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’’.

Il responsabile internazionale dell'esperimento è Giovanni De Lellis, dell'Università Federico II e dell'INFN di Napoli.[2] Il precedente responsabile di OPERA è stato il fisico Antonio Ereditato, che si è dimesso nel 2012.[3]

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).

 
Il rivelatore di OPERA

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 cm3 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 emulsioni nucleari[4], 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 (2.9·10-13 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 muoni e determinarne la carica e l’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.[5]

Il fascio CNGS

Il fascio CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) era generato dall'acceleratore SPS del CERN, partendo da un fascio di protoni a 400 GeV che veniva fatto collidere con un bersaglio di grafite all'interno del tunnel CNGS. Le particelle risultanti, kaoni e 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 muoni e neutrini muonici. 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. L'energia media dei neutrini prodotti era 17 GeV. La contaminazione del fascio in termini di interazioni attese nel rivelatore era del 2.1% per antineutrini muonici e inferiore all'1% per la somma di neutrini e antineutrini elettronici, mentre la contaminazione di 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.[6]

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 quella della luce.[7] 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,[8][9][10][11] ma nel marzo 2012, durante un workshop tenuto presso i Laboratori nazionali del Gran Sasso, è stata comunicata la presenza di alcuni errori sistematici nell'apparato di misura (in particolare un'errata calibrazione dell'orologio atomico necessario per calcolare il tempo di volo dei neutrini e una cattiva connessione di una fibra ottica con il sistema GPS) che possono giustificare il valore anomalo della velocità dei neutrini.[12] Un libro pubblicato nel 2017 traccia con grande dettaglio gli avvenimenti che hanno indotto in errore la collaborazione OPERA [13].

Note

  1. ^ (EN) Jim Al-Khalili, Faster than the speed of light?, su jimal-khalili.com, 18 novembre 2011. URL consultato l'11 febbraio 2012 (archiviato dall'url originale il 1º febbraio 2014).
  2. ^ Fisica, osservato un neutrino "trasformista" da Cern e Infn, su ilfattoquotidiano.it, 26 marzo 2013. URL consultato il 2 ottobre 2015.
  3. ^ Valentina Arcovio, Neutrini più veloci della luce: si dimette il fisico dell'esperimento, su daily.wired.it, 30 marzo 2012. URL consultato il 2 ottobre 2015.
  4. ^ (EN) Particle Physics Reference Library: Volume 2: Detectors for Particles and Radiation, Springer International Publishing, 2020, DOI:10.1007/978-3-030-35318-6, ISBN 978-3-030-35317-9. URL consultato l'11 settembre 2021.
  5. ^ (EN) Opera – The Opera Detector, su operaweb.lngs.infn.it. URL consultato l'11 febbraio 2012.
  6. ^ N. Agafonova et al. (OPERA Collaboration), Observation of a first ντ candidate event in the OPERA experiment in the CNGS beam, in Physics Letters B, vol. 691, n. 3, 2010, pp. 138-145, Bibcode:2010PhLB..691..138A, DOI:10.1016/j.physletb.2010.06.022, arXiv:1006.1623.
  7. ^ (EN) (PrePrint) The OPERA Collaboration, Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam, in arXiv, 2011.
  8. ^ Neutrini: ok test, 'più veloci della luce', in Ansa.it, 18 novembre 2011. URL consultato il 18 novembre 2011.
  9. ^ Elena Dusi, Nuovi test, i neutrini del Gran Sasso continuano a correre più veloci della luce, in La Repubblica, 18 novembre 2011. URL consultato il 18 novembre 2011.
  10. ^ Folco Claudi, Neutrini più veloci della luce, arriva la prima conferma, in Le Scienze, 18 novembre 2011. URL consultato il 25 novembre 2011.
  11. ^ (EN) (PrePrint) The T2K Collaboration, Measurements of the T2K neutrino beam properties using the INGRID on-axis near detector, in arXiv, 2011.
  12. ^ (EN) Maximiliano Sioli, Updated results of the OPERA neutrino-velocity analysis, su agenda.infn.it, infn.it, 28 marzo 2012. URL consultato il 19 ottobre 2012.
  13. ^ Il neutrino anomalo, Dedalo, Bari, 2017.

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