Група OPERA опублікувала результати підсумкового аналізу даних, зібраних на детекторі нейтрино в Гран-Сассо в 2008-2012 роках. За допомогою більш акуратного аналізу вченим вдалося розгледіти в цих даних десять подій, що відповідають перетворенню мюонних нейтрино в тау-нейтрино, виміряти квадрат різниці мас цих типів нейтрино і переріз взаємодії тау-нейтрино з зарядженим струмом, а також підтвердити, що тау-нейтрино володіють негативним лептонним числом. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє.
У Стандартній моделі маса нейтрино в точності дорівнює нулю. Проте поставлені наприкінці минулого століття експерименти (а також пізніші) показали, що насправді нейтрино постійно осцилюють, тобто перетворюються з одного типу на інший. Так, електронні нейтрино, що народилося в термоядерних реакціях всередині Сонця, встигають багато разів перетворитися на мюонні і тау-нейтрино, поки летять до Землі, і в результаті детектори реєструють приблизно однаковий потік різних типів нейтрино. Якби маса нейтрино справді була нульовою, як пророкує Стандартна модель, такі осциляції були б неможливі. Ця неузгодженість змушує вчених розробляти нові теоретичні моделі, а також більш уважно вивчати осциляції нейтрино на практиці.
Зокрема, детектор OPERA, розташований в Гран-Сассо (Італія), призначений для вивчення мюонних нейтрино, які народжуються в результаті зіткнень протонних пучків на суперсинхротроні SPS в ЦЕРНі і перетворюються в тау-нейтрино по шляху до детектора. У середньому енергія частинок, що утворюються за такою схемою, становить 17 гігаелектронвольт - отже, нейтрино рухаються з навколосвітньою швидкістю, і часу на перетворення у них практично немає (відстань між Женевою і Гран-Сассо вони пролітають трохи більше ніж за 2,4 мілісекунди). Тим не менш, невелика частка мюонних нейтрино все-таки встигне змінити свій тип, і за кілька років спостережень такі події можна побачити.
Щоб упіймати і визначити тип «невловимих» частинок, у детекторі OPERA використовується 1,5 тисячі свинцевих платівок розмірами приблизно 13 10 7 сантиметрів і вагою близько 8,3 кілограмів, об'єднаних у 31 колону і прокладених фотоплівками. Коли нейтрино стикається з ядром свинцю, воно обмінюється з ним зарядженим W-бозоном (це так званий заряджений струм, charged current), і в результаті в обсязі платівки народжуються нові частинки, які реєструються на фотоплівці і відстежуються за допомогою магнітного детектора. Це дозволяє простежити їх траєкторію і встановити тип нейтрино, що вступив у взаємодію з ядром.
Тау-нейтрино відрізняються від інших типів характерною топологією розпаду, залишаючи після себе або одну заряджену частинку (електрон, мюон або адрон), або три адрони. Вимірюючи кінематичні параметри народжених частинок і співвідносячи їх один з одним, можна сказати, в якій точці детектора і в результаті якого розпаду вони з'явилися. На жаль, деякі інші процеси (наприклад, розпад зачарованих адронів), які повинні відбуватися в детекторі, також призводять до народження схожих частинок і заважають виділити події, що відповідають тау-нейтрино, із загального потоку. У попередньому аналізі даних, зібраних у 2008-2012 роках, вчені повідомляли про п'ять достовірно виявлених тау-нейтрино. За цей час на прискорювачі в ЦЕРНі встигли зіткнутися майже 1,8 доль 1020 протонів, а в обсязі детектора OPERA було зареєстровано 19505 нейтрино. У новій роботі фізики провели більш глибокий аналіз тих же самих даних, використовуючи багатовимірний підхід (multivariate approach). Це дозволило їм розгледіти ще п'ять подій, що відповідають тау-нейтрино і довести повну кількість подій до десяти: у шести випадках нейтрино перетворилося на адрон, у трьох випадках - на три адрони, і ще в одному випадку - на мюон. В цілому, такі результати збігаються з теоретичними оцінками на число реакцій всередині детектора.
Збільшилася в два рази статистика по нейтрино дозволила вченим уточнити кілька параметрів, що відповідають за осциляції. Наприклад, квадрат різності мас нейтрино 2 і 3 типів фізики оцінюють величиною Δ232 (2,7 ст.10,6) ст.110 − 3 квадратних електронвольт, а вимірений переріз взаємодії тау-нейтрино через заряджений струм - величиною (5,1 ст.12,2) ст.110 − 36 квадратних сантиметрів. Обидва ці результати узгоджуються з теоретичними розрахунками за допомогою програми GENIE і результатами численних попередніх вимірювань, проте експеримент OPERA - перший, в якому вимірювання проводилися для «виникаючої» моди (appearance mode). Крім того, в цьому експерименті тау-нейтрино спостерігалися незалежно від тау-антинейтрино, що дозволило фізикам вперше безпосередньо виміряти лептонне число частинки. Виявилося, що зі статистичною значимістю близько 3,7ºтау-нейтрино володіють негативним лептонним числом.
У 2015 році Нобелівську премію з фізики присудили Такаакі Кадзита і Артуру МакДональду «за відкриття осциляцій нейтрино, які доводять, що нейтрино має маса». Детальніше про теоретичне пояснення та історію відкриття нейтринних осциляцій можна прочитати в нашому матеріалі «Н значить нейтрино».
У вересні 2011 року експеримент OPERA повідомив про реєстрацію надсвітових нейтрино, які пролетіли відстань між джерелом у ЦЕРНі і детектором у Гран-Сассо (близько 730 кілометрів) на 60 наносекунд швидше, ніж дозволяють закони фізики. Це відкриття викликало великий переполох у фізичному співтоваристві, проте згодом воно виявилося «пустушкою» - після ретельної повторної перевірки обладнання вчені виявили, що час польоту частинок було занижено через недостатньо гарне з'єднання кабелів, що викликає затримку синхронізуючого сигналу. В результаті керівник проекту Антоніо Ередитато (Antonio Ereditato) і науковий координатор Даріо Аутіеро (Dario Autiero), який настояв на публікації сенсаційних, але помилкових результатів, були відсторонені від посади.