ОБНАРУЖЕНИЕ СВЕРХСВЕТОВЫХ НЕЙТРИНО В ЭКСПЕРИМЕНТЕ OPERA

Целью международного эксперимента OPERA, в котором принимают участие ученые из 12 стран и российские физики, в том числе группа из 7 сотрудников НИИЯФ МГУ и 3 студентов, является наблюдение осцилляций мюонного нейтрино в таонное в пучке нейтрино от ускорителя в ЦЕРН (Швейцария). Этот пучок проходит расстояние 730 км в земной коре по хорде до подземной лаборатории Гран Сассо (Италия), где предполагается прямая регистрация тау-лептонов в ядерной эмульсии в специально построенном детекторе.

Рис.1 Схема прохождения нейтринного пучка

Для набора статистики необходима большая масса детектора, а для наблюдения короткоживущего тау-лептона требуется высокое пространственное разрешение, обеспечиваемое эмульсионной методикой. Детектор массой 1.25 кт состоит из двух независимых модулей, включающих в себя блоки мишени, трековую систему целеуказания и мюонные спектрометры. Основной элемент детектора - эмульсионный кирпич, состоящий из свинцовых и эмульсионных пластин. За каждой стенкой из мишенных блоков находятся сцинтилляционные детекторы, указывающие на конкретный эмульсионный кирпич, в котором произошло взаимодействие.
Набор статистики в эксперименте OPERA в подземной лаборатории Гран Сассо начался в 2008 году. За это время для создания нейтринного пучка на графитовую мишень было брошено 1,4·10²⁰ протонов. В эмульсионных детекторах зарегистрировано > 1,4·10⁴ взаимодействий ν_μ.

Рис.2 Детектор эксперимента OPERA

Технология обработки трековых эмульсионных детекторов требует полной автоматизации процесса обработки. Задачу быстрого сканирования больших массивов эмульсии решают современные прецизионные микроскопы (с системой видеозахвата и обработки изображений). Обработка экспериментального материала эксперимента OPERA проводится в европейских научных центрах и в Японии (используется ~60 сканирующих комплексов). В российских институтах, участвующих в эксперименте, имеется 6 сканирующих станций. В 2011 году в НИИЯФ МГУ введены в строй два микроскопа, комплектация которых полностью идентична европейским.

Рис.3 Комплекс по сканированию ядерных эмульсий НИИЯФ МГУ

В 2010 году при анализе данных 2008-2009 гг. обнаружено событие, которое рассматривается как первый кандидат на взаимодействие таонного нейтрино.

В первичном взаимодействии нейтрино обнаружено 7 треков, один из которых связывается с тау-лептоном, который после пробега образует излом, соответствующий вторичному взаимодействию или распаду. Угол излома и длина пути тау-лептона удовлетворяют принятым в эксперименте критериям отбора. Найденное событие-кандидат может рассматриваться как распад тау-лептона в адронном канале. Вероятность того, что это событие фоновое, составляет 4.5%. Таким образом, достоверность события-кандидата соответствует 2.01 σ. Этот результат является важным шагом в направлении давно ожидаемого открытия нейтринных осцилляций в экспериментах по их прямому наблюдению.
23 сентября 2011 года в архиве электронных препринтов появилась статья коллаборации OPERA, посвященная прямому измерению скорости движения нейтрино. Скорость движения нейтрино превысила скорость света в вакууме. Статья коллаборации содержит анализ разнообразных источников погрешностей и неопределённостей; результат работы вызвал научный переполох: с момента публикации появилось более 150 публикаций, с разных сторон обсуждающих этот результат.
Идея эксперимента очень проста. Рожденный в ЦЕРНе нейтринный пучок летит сквозь Землю в лабораторию Гран-Сассо и проходит сквозь детектор OPERA. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, но из-за того, что их поток из ЦЕРНа очень велик, некоторые нейтрино взаимодействуют в детекторе. Нейтрино в ЦЕРНе рождаются не непрерывно, а «всплесками», и если мы знаем момент рождения нейтрино и момент его поглощения в детекторе, а также расстояние между двумя лабораториями, мы можем вычислить скорость движения нейтрино. Чтобы обеспечить высокую точность такой оценки, в 2008 году в ЦЕРН и лаборатории Гран-Сассо установили системы, состоящие из GPS-приёмника и цезиевых атомных часов. Были использована статистика 16 111 событий и рассчитаны два параметра: δt (разность времён прохождения 730-километрой дистанции, одно из которых вычисляется для света в вакууме, а другое — измеряется опытным путём для ν_μ) и (v – с)/с, относительная разность скоростей мюонного нейтрино и света в вакууме. Величина δt оказалась равна 60,7 ± 6,9 (стат.) ± 7,4 (сист.) нс, а (v – с)/с = [2,48 ± 0,28 (стат.) ± 0,30 (сист.)]•10^–5; поскольку эти значения положительны, нейтрино должны обгонять свет.
С момента с момента публикации прошло 2 месяца. Участники эксперимента использовали это время, во-первых, на проверку данных, исключив 5% «возможно фоновые» события. В принципе эти случаи могли искажать результаты, увеличивая расчётную скорость ν_μ. Во-вторых, экспериментаторы заново рассмотрели известные источники погрешности и оценили их вклад в общую погрешность. В-третьих, они уточнили величину огромной — микросекундной — задержки инструментального характера, на фоне которой в опыте определяется наносекундная разность времён. После введения необходимых поправок значение δt снизилось до 57,8 ± 7,8 (стат.) +8,3–5,9 (сист.) нс, а (v – с)/с — до [2,37 ± 0,32 (стат.) +0,34–0,24 (сист.)]•10^–5. Видно, что «старые» и «новые» результаты практически не отличаются друг от друга.
В дополненную и переработанную статью, которая представлена в Journal of High Energy Physics, также включены результаты дополнительной серии измерений, выполненных с использованием модифицированного нейтринного пучка. Критика основного эксперимента состояла в том, что длительность каждого сеанса выведения протонов на мишень составляла 10,5 мкс. Поэтому приходилось работать не с отдельными событиями, а с их совокупностью: измеренное распределение моментов регистрации множества ν_μ сравнивалось с ожидаемым распределением. В новом варианте протоны выводились на мишень импульсами длительностью всего в 3 нс, ширина интервалов между которыми равнялась 524 нс. Это позволило связать обнаруживаемые детектором нейтрино с конкретными импульсами, упростить методику расчёта.
Работа в новом режиме формирования пучка нейтрино продолжалась с 22 октября по 6 ноября. За две недели на мишень в ЦЕРНе упало около 4•10¹⁶ протонов, детектор OPERA зарегистрировал 35 событий, а отбор прошли только 20 из них. По этим двадцати экспериментальным точкам и была рассчитана величина δt = 62,1 ± 3,7 нс, которая хорошо согласуется со значениями, приведёнными выше.
Теперь участникам эксперимента и всем физикам остаётся лишь дожидаться подтверждения (или опровержения) данных OPERA в ускорительном эксперименте MINOS, проводимом в США. Представители коллаборации MINOS уже заявили о том, что они планируют усовершенствовать используемую систему отсчёта и синхронизации времени и, возможно, завершат предварительную проверку результатов, полученных в эксперименте OPERA, в начале следующего года.

д.ф.м.н. Т.М.Роганова,
зав. лаб. НИИЯФ МГУ