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 Tau-Neutrinos. Es ist das erste Appearance-Experiment, das heißt es weist das Auftauchen von Tau-Neutrinos in einem rein myonischen Neutrino-Strahl nach. Zur Zeit 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 der Großteil 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 elektronischen Neutrinos und durch eine extrem geringe Kontamination mit Tau-Neutrinos aus. Beide Kontaminationen sind in ihrer Stärke bekannt. Der Neutrinostrahl durchquert aufgrund der geringen Wechselwirkung mit Materie ohne messbare Verluste die Strecke von ca. 730 km 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 20m lang, 10m hoch und 10m breit. Der gesamte Detektor wiegt beinahe 5000t und verfügt über 200 000 Einzelsensoren. Als Target dienen ca. 1800t Blei, das in 1mm dicken Bleiplatten angeordnet ist. In Jedem Einzelsensor befinden sich 56 dieser Bleiplatten, welche sich mit Photoplatten (Photoemulsion) abwechseln. Die Photoplatten werden als sogenannte 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 (Fotoemulsionen) als auch aktive Elemente (elektronische Detektoren) besitzt, bezeichnet man ihn als Hybrid-Detektor.

Nachweis der Tau-Neutrinos

Der Nachweis der Tau-Neutrinos erfolgt über den Zerfall des Tau-Leptons, 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 Tau-Leptons hat diese Messung einen sehr geringen Untergrund. Aus der Anzahl nachgewiesenen Tau-Neutrinos kann das $\Delta m_{23}^{2}$, 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 Tau-Neutrinos in 5 Jahren Laufzeit (bei der vom CERN vorhergesagten Intensität des Neutrinostrahls). Wegen des geringen Untergrunds ist diese Messung aber trotzdem hochsignifikant.

Weblinks

• Opera Main Page
• OPERA-High Precision Tracker (Teil des Myon Spektrometers)
• LNGS
• CNGS Neutrino-Strahl am CERN