Детектор важких нейтрино в експерименті OPERA.
У рамках експерименту OPERA вдалося вп'яте виявити появу тау-нейтрино в пучці мюонних нейтрино. Отримані дані забезпечують достовірність у п'ять сигм для події перетворення мюонного нейтрино на тау-нейтрино . Це означає, що процес осциляції мюонних нейтрино в тау-нейтрино можна вважати доведеним.
Експеримент з виявлення тау-нейтрино в потоці мюонних нейтрино стартував 2003 року в Національній лабораторії Гран-Сассо у складі італійського Національного інституту ядерної фізики. У розташованій в самому центрі Апеннінського півострова лабораторії побудований величезний детектор, який вловлює нейтрино, що генеруються в ЦЕРНі. На своєму шляху довжиною 732 кілометри з Женеви в Л'Акуїлу мюонні нейтрино осцилюють, перетворюючись з деякою ймовірністю в лептонні або тау-нейтрино. Останні і є об'єктом спостережень у проекті.
Основою детектора в експерименті OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus - Програма осциляцій з емульсійним детектором) є «цеглини» 12,8 ст.110,2 ст.17,9 см, що складаються з 56 свинцевих пластин товщиною 1 мм, а також 57 емульсійних пластин. Всього в детекторі близько 150 000 таких «цеглин» масою приблизно 8,3 кг кожен. За стінкою з мішенних блоків розміщені електронні детектори - вони використовуються для цілевказування на емульсійну «цеглу», в якій мала місце взаємодія, а також з метою визначення імпульсу і заряду частинок. Після отримання цілевказівки відповідну «цеглу» витягують зі стіни, «проявляють» емульсію, сканують її і шукають сліди тау-розпадів.
Мюонний потік створюється Протонним суперсинхротроном - колись головним прискорювачем ЦЕРНу, який зараз служить заключним передвскорителем протонних пучків для Великого адронного колайдера. Частина протонів, прискорених до 400 ГЕВ, відбирається для проекту CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso - «Нейтрино ЦЕРНу для Гран-Сассо») і направляється в спеціальний тунель. Протони стикаються з графітовою мішенню, утворюючи, в тому числі, легкі мезони: каони (K-мезони) і піони (лід-мезони), які охоче розпадаються на пару мюон - антимюон. Останні при розпаді на більш легкі частинки обов'язково дають мюонне нейтрино (або, в разі антимюону, антинейтрино). Всі частинки, за винятком нейтрино, закінчують свій шлях, а нейтрино, які дуже слабо взаємодіють з речовиною, продовжують рух у товщі Землі. Досягнувши Гран-Сассо, деякі з них взаємодіють з ядрами атомів свинцю з народженням відповідного лептона: мюонне нейтрино народжує мюон, а тау-нейтрино - тау-лептон (таон). Лептон, у свою чергу, швидко розпадається, а сліди розпаду фіксуються в емульсії «цегли», а також електронними детекторами. Протонний суперсинхротрон (Super Proton Synchrotron, SPS).
Протонний суперсинхротрон був запущений як передбачувач в 2008 році, і тоді ж почався збір даних для експерименту OPERA. Перша подія, що претендує на розпад тау-нейтрино, була зафіксована в травні 2010 року, про друге оголошено в червні 2012-го. Незабаром накопичення даних завершилося: у грудні 2012 року Великий адронний колайдер зупинили на модернізацію, тоді ж призупинив свою роботу і передбачувач. За чотири з гаком роки в Гран-Сассо було зареєстровано 16 879 нейтринних подій, і робота з аналізу зібраних даних триває. Третє тау-нейтрино виявлено в березні 2013 року, четверте - у квітні 2014-го.
Дані за цими чотирма подіями в сумі забезпечили достовірність у 4,2 відсоток, що свідчило про існування осциляції на в лав, проте не дозволяло заявити про те, що факт осциляції доведено. І лише виявлені нещодавно сліди п'ятого тау-нейтрино остаточно підтверджують існування цього феномену.
Підтвердження нейтринних осциляцій закриває питання наявності у цих частинок маси - безмасові нейтрино осцилювати не можуть. Крім того, отримані дані важливі для вирішення одного з найважливіших завдань фізики елементарних частинок - проблеми дефіциту сонячних нейтрино. Причина, через яку на Землі фіксується значно менша, порівняно з теоретичними розрахунками, кількість випущених Сонцем електронних нейтрино, досі невідома.
