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OPERA Experiment Das OPERA Experiment Akronym für Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus auf Deutsch in et

OPERA (Experiment)

Das OPERA-Experiment (Akronym für Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus, auf Deutsch in etwa: Projekt zur Untersuchung von Neutrinooszillation mit einem lichtempfindlichen Apparat) ist ein physikalisches Experiment zur Neutrinooszillation. Es untersucht die Oszillation von Myon-Neutrinos zu τ-Neutrinos. Es war das erste Appearance-Experiment, das heißt, es wies das Auftauchen von τ-Neutrinos in einem rein myonischen Neutrinostrahl nach. Die Konstruktion begann 2003 und erste Neutrinos des CNGS-Strahls konnten bei einem Test im August 2006 nachgewiesen werden, als die meisten elektronischen Detektoren einsatzbereit waren. 2008 nahm der OPERA-Detektor seinen vollständigen Betrieb auf. Anfang Dezember 2012 wurde der Betrieb eingestellt. Die Auswertung der Daten wird allerdings noch fortgesetzt.

OPERA-Experiment während des Aufbaus

Aufbau Bearbeiten

Neutrinoquelle Bearbeiten

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

Detektor Bearbeiten

Das Kernstück des Experiments war der Neutrino-Detektor. Er befand sich in Halle C des LNGS-Untergrundlabors im Gran-Sasso-Massiv nahe L’Aquila (Abruzzen) in Italien, mit einer Ausdehnung von etwa 20 m Länge, 10 m Höhe und 10 m Breite. Die Gesamtmasse des Detektors betrug annähernd 5000 t und verfügte über 200.000 Einzelsensoren. Als Target dienten ca. 1300 t Blei in 1 mm dicken Bleiplatten. In jedem Einzelsensor befanden sich 56 dieser Bleiplatten, welche sich mit Photoplatten (Photoemulsion) abwechselten. Die Photoplatten werden als Emulsion Cloud Chambers (ECC) bezeichnet und dienen zum Nachweis von geladenen Teilchen, die bei einer Neutrino-Reaktion entstehen. Weiterhin waren elektronische Tracker im Target verbaut, welche die Lokalisation einer Reaktion in Echtzeit ermöglichten. Die betroffenen Teile des Targets wurden dann voll automatisiert entnommen, die Photoplatten entwickelt und mit Mikroskopen ausgewertet. Zusätzlich befand sich ein Myon-Spektrometer hinter dem Target. Diese Anordnung (das sog. Super-Modul) war 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) besaß, bezeichnete man ihn als Hybriddetektor.

Nachweis der τ-Neutrinos Bearbeiten

Die τ-Neutrinos wurden über den Zerfall des τ-Leptons nachgewiesen, das bei der Reaktion des Neutrinos mit dem Target entstand. Der Zerfall in z. B. ein Myon (und zwei für den Detektor unsichtbare Neutrinos) erzeugte einen charakteristischen Knick in der Teilchenspur. Dieser Knick konnte durch die hochaufgelöste Teilchenbahn-Rekonstruktion mittels der Photoplatten erkannt werden. Aufgrund dieser starken Signatur des τ-Leptons hatte diese Messung einen sehr geringen Untergrund. Aus der Anzahl der nachgewiesenen τ-Neutrinos konnte , ein Parameter der Neutrinooszillation, errechnet werden. Nach dem gegenwärtig bekannten Wert für aus vorhergehenden Messungen des japanischen Super-Kamiokande-Experiments und des amerikanischen MINOS-Experiments erwartete man lediglich 11 τ-Neutrinos in der fünfjährigen Laufzeit (bei der vom CERN vorhergesagten Intensität des Neutrinostrahls). Wegen des geringen Untergrunds war diese Messung aber trotzdem hochsignifikant.

Am 31. Mai 2010 beobachteten die OPERA-Forscher den ersten Kandidaten für ein τ-Neutrino-Ereignis. Am 6. Juni 2012 wurde ein zweites τ-Neutrino-Ereignis beobachtet. Nachdem zwei weitere τ-Neutrino-Ereignisse 2013 und 2014 nachgewiesen werden konnten, ist mit dem 5. nachgewiesenen Ereignis eine statistische Signifikanz von 5 Sigma erreicht, die Wahrscheinlichkeit einer statistischen Fluktuation ohne Signal ist damit unter eins zu einer Million. Die Entdeckung wurde am 16. Juni 2015 bekanntgegeben. Die Auswertung der Daten wird fortgesetzt.

Untersuchung der Neutrinogeschwindigkeit Bearbeiten

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. Es wurden allerdings Fehler in der Experimentaldurchführung gefunden, und eine neue Messung durch ICARUS ergab Übereinstimmung mit der Lichtgeschwindigkeit. In ihrer abschließenden Veröffentlichung wurden die Fehlerquellen berücksichtigt, und es ergab sich wie bei ICARUS eine Übereinstimmung mit der Lichtgeschwindigkeit. Eine weitere, 2012 durchgeführte Messung bestätigte dieses Resultat.

Weblinks Bearbeiten

Commons: OPERA – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. H. Pessard: Status of the OPERA neutrino experiment. In: Proceedings of the European Physical Society. Europhysics Conference on High Energy Physics. 2009, arxiv:0910.5701 (englisch).
  2. ↑ Robert Gast: (Nicht mehr online verfügbar.) ASTROnews, 9. Januar 2013, archiviert vom Original am 30. Januar 2013; abgerufen am 30. Januar 2013.
  3. 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. 691. Jahrgang, Nr. 3, 2010, S. 138–145, doi:10.1016/j.physletb.2010.06.022, arxiv:1006.1623, bibcode:2010PhLB..691..138A (englisch).
  4. OPERA Observes the Second Tau Neutrino. INFN press release, 6. Juni 2012, abgerufen am 8. Juni 2012 (englisch).
  5. OPERA detects its fifth tau neutrino auf der CERN Webseite
  6. OPERA collaboration: Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam. In: Journal of High Energy Physics. Nr. 10, 2012, S. 93, doi:10.1007/JHEP10(2012)093, arxiv:1109.4897v4 (englisch).
  7. OPERA collaboration: Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam using the 2012 dedicated data. In: Journal of High Energy Physics. Nr. 1, 2013, S. 153, doi:10.1007/JHEP01(2013)153, arxiv:1212.1276 (englisch).
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Veröffentlichungsdatum:
Das OPERA Experiment Akronym fur Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus auf Deutsch in etwa Projekt zur Untersuchung von Neutrinooszillation mit einem lichtempfindlichen Apparat ist ein physikalisches Experiment zur Neutrinooszillation Es untersucht die Oszillation von Myon Neutrinos zu t Neutrinos Es war das erste Appearance Experiment das heisst es wies das Auftauchen von t Neutrinos in einem rein myonischen Neutrinostrahl nach Die Konstruktion begann 2003 und erste Neutrinos des CNGS Strahls konnten bei einem Test im August 2006 nachgewiesen werden als die meisten elektronischen Detektoren einsatzbereit waren 2008 nahm der OPERA Detektor seinen vollstandigen Betrieb auf 1 Anfang Dezember 2012 wurde der Betrieb eingestellt Die Auswertung der Daten wird allerdings noch fortgesetzt 2 OPERA Experiment wahrend des Aufbaus Inhaltsverzeichnis 1 Aufbau 1 1 Neutrinoquelle 1 2 Detektor 2 Nachweis der t Neutrinos 3 Untersuchung der Neutrinogeschwindigkeit 4 Weblinks 5 EinzelnachweiseAufbau BearbeitenNeutrinoquelle Bearbeiten OPERA nutzte als Neutrinoquelle den CNGS Strahl des CERN Am SPS Teilchenbeschleuniger am CERN wurden dabei Hadronen erzeugt die durch ihren Zerfall myonische Neutrinos erzeugten Der Strahl zeichnete sich durch eine kleine Kontamination mit Elektron Neutrinos und durch eine extrem geringe Kontamination mit t Neutrinos aus Beide Kontaminationen waren in ihrer Starke bekannt Der Neutrinostrahl durchquerte aufgrund der geringen Wechselwirkung mit Materie ohne messbare Verluste die Strecke von etwa 730 km durch die Erdkruste bis zum Detektor in Italien Detektor Bearbeiten Das Kernstuck des Experiments war der Neutrino Detektor Er befand sich in Halle C des LNGS Untergrundlabors im Gran Sasso Massiv nahe L Aquila Abruzzen in Italien mit einer Ausdehnung von etwa 20 m Lange 10 m Hohe und 10 m Breite Die Gesamtmasse des Detektors betrug annahernd 5000 t und verfugte uber 200 000 Einzelsensoren Als Target dienten ca 1300 t Blei in 1 mm dicken Bleiplatten In jedem Einzelsensor befanden sich 56 dieser Bleiplatten welche sich mit Photoplatten Photoemulsion abwechselten Die Photoplatten werden als Emulsion Cloud Chambers ECC bezeichnet und dienen zum Nachweis von geladenen Teilchen die bei einer Neutrino Reaktion entstehen Weiterhin waren elektronische Tracker im Target verbaut welche die Lokalisation einer Reaktion in Echtzeit ermoglichten Die betroffenen Teile des Targets wurden dann voll automatisiert entnommen die Photoplatten entwickelt und mit Mikroskopen ausgewertet Zusatzlich befand sich ein Myon Spektrometer hinter dem Target Diese Anordnung das sog Super Modul war 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 besass bezeichnete man ihn als Hybriddetektor Nachweis der t Neutrinos BearbeitenDie t Neutrinos wurden uber den Zerfall des t Leptons nachgewiesen das bei der Reaktion des Neutrinos mit dem Target entstand Der Zerfall in z B ein Myon und zwei fur den Detektor unsichtbare Neutrinos erzeugte einen charakteristischen Knick in der Teilchenspur Dieser Knick konnte durch die hochaufgeloste Teilchenbahn Rekonstruktion mittels der Photoplatten erkannt werden Aufgrund dieser starken Signatur des t Leptons hatte diese Messung einen sehr geringen Untergrund Aus der Anzahl der nachgewiesenen t Neutrinos konnte D m 23 2 displaystyle Delta m 23 2 nbsp ein Parameter der Neutrinooszillation errechnet werden Nach dem gegenwartig bekannten Wert fur D m 23 2 displaystyle Delta m 23 2 nbsp aus vorhergehenden Messungen des japanischen Super Kamiokande Experiments und des amerikanischen MINOS Experiments erwartete man lediglich 11 t Neutrinos in der funfjahrigen Laufzeit bei der vom CERN vorhergesagten Intensitat des Neutrinostrahls Wegen des geringen Untergrunds war diese Messung aber trotzdem hochsignifikant Am 31 Mai 2010 beobachteten die OPERA Forscher den ersten Kandidaten fur ein t Neutrino Ereignis 3 Am 6 Juni 2012 wurde ein zweites t Neutrino Ereignis beobachtet 4 Nachdem zwei weitere t Neutrino Ereignisse 2013 und 2014 nachgewiesen werden konnten ist mit dem 5 nachgewiesenen Ereignis eine statistische Signifikanz von 5 Sigma erreicht die Wahrscheinlichkeit einer statistischen Fluktuation ohne Signal ist damit unter eins zu einer Million Die Entdeckung wurde am 16 Juni 2015 bekanntgegeben Die Auswertung der Daten wird fortgesetzt 5 Untersuchung der Neutrinogeschwindigkeit Bearbeiten Hauptartikel Messungen der Neutrinogeschwindigkeit Am 23 September 2011 veroffentlichte OPERA eine Arbeit in der die Messung einer Uberlichtgeschwindigkeit der Neutrinos im Widerspruch zu bislang anerkannten Grundgesetzen der Physik vermeldet wurde Es wurden allerdings Fehler in der Experimentaldurchfuhrung gefunden und eine neue Messung durch ICARUS ergab Ubereinstimmung mit der Lichtgeschwindigkeit 2 In ihrer abschliessenden Veroffentlichung wurden die Fehlerquellen berucksichtigt und es ergab sich wie bei ICARUS eine Ubereinstimmung mit der Lichtgeschwindigkeit 6 Eine weitere 2012 durchgefuhrte Messung bestatigte dieses Resultat 7 Weblinks Bearbeiten nbsp Commons OPERA Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien Opera Main Page OPERA High Precision Tracker Teil des Myon Spektrometers LNGS CNGS Neutrino Strahl am CERN Erster Nachweis eines t Neutrinos durch OPERA Memento vom 4 Marz 2016 im Internet Archive Scienceticker 1 Juni 2010Einzelnachweise Bearbeiten H Pessard Status of the OPERA neutrino experiment In Proceedings of the European Physical Society Europhysics Conference on High Energy Physics 2009 arxiv 0910 5701 englisch a b Robert Gast Das Kabel das die Physik erschutterte Nicht mehr online verfugbar ASTROnews 9 Januar 2013 archiviert vom Original am 30 Januar 2013 abgerufen am 30 Januar 2013 N Agafonova et al OPERA Collaboration Observation of a first nt candidate event in the OPERA experiment in the CNGS beam In Physics 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