OPERA (Experiment)

Das OPERA-Experiment während des Aufbaus

Das OPERA-Experiment ist ein physikalisches Experiment zur Neutrinooszillation. Es untersucht die Oszillation von Myon-Neutrinos zu τ-Neutrinos. Es ist das erste Appearance-Experiment, das heißt, es weist das Auftauchen von τ-Neutrinos in einem rein myonischen Neutrinostrahl nach. Zurzeit befindet sich das Experiment in der Endphase des Aufbaus. Erste Neutrinos des CNGS-Strahls konnten bei einem Test bereits im August 2006 nachgewiesen werden, bei dem die meisten der elektronischen Detektoren bereits einsatzbereit waren. Die Laufzeit des Experiments wird voraussichtlich 5 Jahre betragen. OPERA ist ein Akronym und steht für Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus, auf Deutsch in etwa: Projekt zur Untersuchung von Neutrinooszillation mit einem lichtempfindlichen Apparat.

Aufbau des Experiments

Neutrinoquelle

OPERA verwendet als Neutrinoquelle den CNGS-Strahl des CERN. Am SPS-Teilchenbeschleuniger am CERN werden dabei Hadronen erzeugt, die durch ihren Zerfall myonische Neutrinos erzeugen. Der Strahl zeichnet sich durch eine kleine Kontamination mit Elektron-Neutrinos und durch eine extrem geringe Kontamination mit τ-Neutrinos aus. Beide Kontaminationen sind in ihrer Stärke bekannt. Der Neutrinostrahl durchquert aufgrund der geringen Wechselwirkung mit Materie ohne messbare Verluste die Strecke von etwa 730 km durch die Erdkruste bis zum Detektor in Italien.

Detektor

Das Kernstück des Experiments ist der Neutrino-Detektor. Er steht in Halle C des LNGS-Untergrundlabors im Gran-Sasso-Massiv (Abruzzen) in Italien, ist etwa 20 m lang, 10 m hoch und 10 m breit. Der gesamte Detektor wiegt beinahe 5000 t und verfügt über 200.000 Einzelsensoren. Als Target dienen ca. 1800 t Blei in 1 mm dicken Bleiplatten. In jedem Einzelsensor befinden sich 56 dieser Bleiplatten, welche sich mit Photoplatten (Photoemulsion) abwechseln. Die Photoplatten werden als Emulsion Cloud Chambers (ECC) bezeichnet und dienen zum Nachweis von geladenen Teilchen, die bei einer Neutrino-Reaktion entstehen. Weiterhin befinden sich elektronische Tracker im Target, die zur Lokalisation einer Reaktion in Echtzeit dienen. Die betroffenen Teile des Targets werden dann voll automatisiert entnommen, die Photoplatten entwickelt und mit Mikroskopen ausgewertet. Zusätzlich steht ein Myon-Spektrometer hinter dem Target. Diese Anordnung (das sog. Super-Modul) ist in identischer Form ein zweites Mal hinter dem ersten Super-Modul aufgebaut. Da der OPERA-Detektor sowohl passive Elemente (Photoemulsionen) als auch aktive Elemente (elektronische Detektoren) besitzt, bezeichnet man ihn als Hybrid-Detektor.

Nachweis der τ-Neutrinos

Die τ-Neutrinos werden über den Zerfall des τ-Leptons nachgewiesen, das bei der Reaktion des Neutrinos mit dem Target entsteht. Der Zerfall in z. B. ein Myon (und zwei für den Detektor unsichtbare Neutrinos) erzeugt einen charakteristischen Knick in der Teilchenspur. Dieser Knick kann durch die hochaufgelöste Teilchenbahn-Rekonstruktion mittels der Photoplatten erkannt werden. Aufgrund dieser starken Signatur des τ-Leptons hat diese Messung einen sehr geringen Untergrund. Aus der Anzahl der nachgewiesenen τ-Neutrinos kann $\Delta m_{23}^{2}$, ein Parameter der Neutrinooszillation, errechnet werden. Nach dem gegenwärtig bekannten Wert für $\Delta m_{23}^{2}$ aus vorhergehenden Messungen des japanischen Super-Kamiokande-Experiments und des amerikanischen MINOS-Experiments erwartet man lediglich 11 τ-Neutrinos in 5 Jahren Laufzeit (bei der vom CERN vorhergesagten Intensität des Neutrinostrahls). Wegen des geringen Untergrunds ist diese Messung aber trotzdem hochsignifikant.

Untersuchung der Neutrinogeschwindigkeit

Am 23. September 2011 veröffentlichte OPERA eine Arbeit, in der die Messung einer Überlichtgeschwindigkeit der Neutrinos, im Widerspruch zu bislang anerkannten Grundgesetzen der Physik, vermeldet wurde. Für mehr Details siehe Moderne Tests der Lorentzinvarianz#Neutrinotests.

Weblinks

• Opera Main Page
• OPERA-High Precision Tracker (Teil des Myon Spektrometers)
• LNGS
• CNGS Neutrino-Strahl am CERN
• Erster Nachweis eines τ-Neutrinos durch OPERA (Scienceticker, 1. Juni 2010)