В рамках эксперимента OPERA удалось в пятый раз обнаружить появление тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино. Полученные данные обеспечивают достоверность в пять сигм для события превращения мюонного нейтрино νμ в тау-нейтрино ντ. Это значит, что процесс осцилляции мюонных нейтрино в тау-нейтрино можно считать доказанным.
Эксперимент по обнаружению тау-нейтрино в потоке мюонных нейтрино стартовал в 2003 году в Национальной лаборатории Гран-Сассо в составе итальянского Национального института ядерной физики. В расположенной в самом центре Апеннинского полуострова лаборатории построен огромный детектор, который улавливает нейтрино, генерируемые в ЦЕРНе. На своём пути длиной 732 километра из Женевы в Л’Акуилу мюонные нейтрино осциллируют, превращаясь с некоторой вероятностью в лептонные или тау-нейтрино. Последние и являются объектом наблюдений в проекте.
Основой детектора в эксперименте OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus — Программа осцилляций с эмульсионным детектором) являются «кирпичи» 12,8 × 10,2 × 7,9 см, состоящие из 56 свинцовых пластин толщиной 1 мм, а также 57 эмульсионных пластин. Всего в детекторе около 150 000 таких «кирпичей» массой примерно 8,3 кг каждый. За стенкой из мишенных блоков размещены электронные детекторы — они используются для целеуказания на эмульсионный «кирпич», в котором имело место взаимодействие, а также с целью определения импульса и заряда частиц. После получения целеуказания соответствующий «кирпич» извлекают из стены, «проявляют» эмульсию, сканируют её и ищут следы тау-распадов.
Мюонный поток создаётся Протонным суперсинхротроном — некогда главным ускорителем ЦЕРНа, который сейчас служит заключительным предускорителем протонных пучков для Большого адронного коллайдера. Часть протонов, ускоренных до 400 ГэВ, отбирается для проекта CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso — «Нейтрино ЦЕРНа для Гран-Сассо») и направляется в специальный туннель. Протоны сталкиваются с графитовой мишенью, образуя, в том числе, лёгкие мезоны: каоны (K-мезоны) и пионы (π-мезоны), которые охотно распадаются на пару мюон—антимюон. Последние при распаде на более лёгкие частицы обязательно дают мюонное нейтрино (или, в случае антимюона, антинейтрино). Все частицы, за исключением нейтрино, заканчивают свой путь, а нейтрино, очень слабо взаимодействующие с веществом, продолжают движение в толще Земли. Достигнув Гран-Сассо, некоторые из них взаимодействуют с ядрами атомов свинца с рождением соответствующего лептона: мюонное нейтрино рождает мюон, а тау-нейтрино — тау-лептон (таон). Лептон, в свою очередь, быстро распадается, а следы распада фиксируются в эмульсии «кирпича», а также электронными детекторами.
Протонный суперсинхротрон был запущен как предускоритель в 2008 году, и тогда же начался сбор данных для эксперимента OPERA. Первое событие, претендующее на распад тау-нейтрино, было зафиксировано в мае 2010 года, о втором объявлено в июне 2012-го. Вскоре накопление данных завершилось: в декабре 2012 года Большой адронный коллайдер был остановлен на модернизацию, тогда же приостановил свою работу и предускоритель. За четыре с лишним года в Гран-Сассо было зарегистрировано 16 879 нейтринных событий, и работа по анализу собранных данных продолжается. Третье тау-нейтрино обнаружено в марте 2013 года, четвёртое — в апреле 2014-го.
Данные по этим четырём событиям в сумме обеспечили достоверность в 4,2 σ, что свидетельствовало о существовании осцилляции νμ в ντ, однако не позволяло заявить о том, что факт осцилляции доказан. И лишь обнаруженные недавно следы пятого тау-нейтрино окончательно подтверждают существование этого феномена.
Подтверждение нейтринных осцилляций закрывает вопрос наличия у этих частиц массы — безмассовые нейтрино осциллировать не могут. Кроме того, полученные данные важны для решения одной из важнейших задач физики элементарных частиц — проблемы дефицита солнечных нейтрино. Причина, по которой на Земле фиксируется значительно меньшее, по сравнению с теоретическими расчётами, количество испущенных Солнцем электронных нейтрино, до сих пор неизвестна.
