Само существование суперсовременной международной лаборатории Гран-Сассо в итальянской глубинке (в Абруццо до середины XX века асфальтовых дорог было перечесть по пальцам) стоит отдельного рассказа. Сначала в глубине высочайшего горного массива Апеннин (почти 3 тыс. метров над уровнем моря) построили автомобильный тоннель, связавший Рим с адриатическим побережьем. Строительство началось в 1968 году, когда о лаборатории никто еще и не помышлял. Или почти никто: конспирологические теории гласят, что отец-основатель лаборатории, экс-директор итальянского Национального института ядерной физики и всемирно известный ученый Антонио Зикики лоббировал строительство автомобильного тоннеля именно в этом месте и именно в направлении, идеально подходящем для «ловли» нейтрино, из CERN.

Как бы то ни было, в 1982 году началось строительство подземных залов лаборатории, которое обошлось бюджету в 77 млрд лир (около 40 млн евро). В 1989 году начались первые крупномасштабные эксперименты, и на 2006 год Национальная лаборатория Гран-Сассо удерживала лидерство как самая большая подземная физическая лаборатория мира.

Национа́льная лаборато́рия Гран-Са́ссо — подземная лаборатория в Италии, одна из четырёх лабораторий итальянского Национального института ядерной физики, занимается экспериментами в области физики элементарных частиц и ядерной физики.

DarkSide-50

DarkSide-50

Лаборатория находится в 120 км от Рима в горном массиве Гран-Сассо, на территории национального парка Гран-Сассо и Монти-делла-Лага.

Лаборатория состоит из наземной части (расположенной возле деревни Ассерджи на юго-западном склоне массива Гран-Сассо) и подземных помещений, расположенных под горой Аквила, на средней глубине около 1400 м ( 3600 м водного эквивалента [1] ) и на высоте около 1000 м над уровнем моря. Доступ в подземные залы лаборатории осуществляется через действующий автомобильный туннель Гран-Сассо длиной более 10 км (ветка западного направления). Подземное расположение позволяет на много порядков уменьшить фон от космических лучей в экспериментах, требующих крайне высокой чувствительности к ядерным событиям, что необходимо для регистрации редких радиоактивных распадов, исследования солнечных, реакторных и ускорительных нейтрино, детектирования взаимодействий гипотетических частиц тёмной материи с веществом.

Подземная часть лаборатории состоит из трёх залов (A, B и C), соединённых переходными туннелями. Каждый зал имеет длину около 100 м, ширину и высоту около 20 м.

DarkSide-50

В лаборатории проводится эксперимент OPERA, в котором задействован пучок мюонных нейтрино CNGS (ЦЕРН — Гран-Сассо). Основной целью эксперимента является поиск вакуумных осцилляций мюонных нейтрино в тау-нейтрино на базе пролёта 732 км . В сентябре 2011 г. коллаборация OPERA обнародовала результаты, которые можно было интерпретировать как движение нейтрино от источника до детектора со сверхсветовой скоростью.

В мае 2012 г. в результате контрольных экспериментов было выяснено, что ошибочные данные о сверхсветовой скорости нейтрино появились в результате технических ошибок.

DarkSide-50

OPERA — эксперимент по изучению нейтринных осцилляций. Он направлен на доказательство гипотезы превращения одних типов нейтрино (электронные, мюонные и тау-нейтрино) в другие. В 2010 году в рамках эксперимента были получены прямые доказательства того, что мюонные нейтрино могут превращаться в тау-нейтрино .

Для эксперимента используется пучок мюонных нейтрино, создаваемый протонным суперсинхротроном (SPS) ЦЕРН в Женеве направленный в подземную лабораторию Гран-Сассо (LNGS), где находится детектор OPERA, использующийся в первую очередь для выявления тау-нейтрино, появляющихся от осцилляций мюонных нейтрино. Путь в 732 километра от ЦЕРН до лаборатории Гран-Сассо занимает у частиц 3 миллисекунды. Детектор проекта OPERA состоит из примерно 150 тысяч элементов (т.н. «кирпичей» (brick)) общей массой 1300 тонн: свинцовых пластин, прослоенных эмульсионной плёнкой весом 8,3 кг каждая [2] . Кроме них аппарат комплектуется электронными детекторами и другой вспомогательной инфраструктурой. Его сооружение было начато в 2003 году и завершено весной-летом 2008 года. В данный момент эксперимент в своей активной фазе.

В проекте OPERA принимают участие примерно 200 физиков из 36 институтов и 13 стран, в том числе и из России.

Итальянская лаборатория Гран-Сассо

Результаты 2011 года

Схема эксперимента, система синхронизации и карта, на которой показаны расположение ЦЕРН, Гран-Сассо и траектория нейтрино.

22 сентября 2011 года появилась   статья, в которой авторами анализируются возможные причины, приводящие к сверхсветовой скорости перемещения нейтрино от источника до детектора. Однозначной трактовки полученных результатов нет.

Позднее эксперимент был повторен тем же проектом на той же установке с измененной методикой: нейтрино отправлялись короткими импульсами длительностью 3 нс с интервалом в 524 нс, в результате чего было достоверно зарегистрировано 20 нейтрино. Измерение их скорости подтвердило первоначальные предположения об их движении со сверхсветовой скоростью.

В феврале 2012 года удалось выявить некоторые предполагаемые аппаратные ошибки в работе использованного нейтринного детектора OPERA. Однако это не прояснило ситуацию окончательно, поскольку эти погрешности могли иметь противоположное влияние на измерение скорости нейтрино, а их точная величина не была установлена. Первый возможный источник погрешности — осциллятор, который используется для получения метки времени для синхронизации с GPS, — мог привести к переоценке времени полёта нейтрино. Второй — разъём оптоволоконного кабеля, который передаёт сигнал GPS на часы OPERA. Его неправильная работа могла приводить к недооценке времени полёта нейтрино.

Повторные опыты были проведены в рамках эксперимента ICARUS. Этот детектор нейтрино также расположен в лаборатории Гран-Сассо и также способен ловить частицы, посылаемые из ЦЕРНа. Результаты опытов с короткими пучками частиц на ICARUS показали, что нейтрино достигли детектора в точном соответствии с теорией, то есть они не двигались быстрее света в вакууме.

В мае 2012 года OPERA провела ряд контрольных экспериментов и пришла к окончательному выводу, что причиной ошибочного вывода о сверхсветовой скорости стал технический дефект (плохо вставленный разъём оптического кабеля).

Сейчас в сердце горного Абруццо – на полдороге между Л'Акуилой , пострадавшей от разрушительного землетрясения, и Терамо, где редкий человек знает английский, работают 750 ученых из 24 стран мира.

Зачем физикам понадобилось прятаться под двухкилометровой толщей скальной породы? Чтобы экранироваться от максимального диапазона частиц и сосредоточиться на самых неуловимых, таких как нейтрино и частицы темной материи. Все обычные частицы – электроны, протоны, позитроны – взаимодействуют с материей, теряя энергию, и не могут «прошить» толщу породы. А вот нейтрино – частицы с очень маленьким сечением взаимодействия. Это значит, что они проходят сквозь любые стены — каждую секунду через тело каждого человека на Земле проходит порядка 10 14 нейтрино, испущенных Солнцем. Таким образом, в лабораторию под горой поступает очищенный поток нейтрино, а дело физиков – ловить его. Другие нейтринные обсерватории используют те же методы очистки: американская Icecube прячется под толщей антарктических льдов на станции Амундсен-Скотт, а многострадальная советская Баксанская нейтринная обсерватория находится в горе Андырчи в Кабардино-Балкарии. С частицами темной материи и того сложнее: их природа неизвестна, однако под землей, где обычных частиц нет, приборы, возможно, смогут измерить «ветер» этого неизвестного.

В Гран-Сассо несколько экспериментов, изучающих нейтрино, однако самые известные работают не с нейтрино космических лучей, а с четким пучком, который проходит под землей путь в 730 км от источника в CERN до итальянской лаборатории. Этот проект называется CNGS – CERN Neutrinos to Gran Sasso. Два самых больших детектора, которые работают с этим пучком, – ICARUS и печально известная на весь мир своими «сверхсветовыми» нейтрино OPERA. Ученые называют их цифровым и аналоговым фотоаппаратами для нейтрино.

Детектор OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) регистрирует взаимодействия нейтрино с материей в так называемых кирпичах, сделанных из свинца. Этот металл выбран для того, чтобы увеличить вероятность взаимодействия. Специальные экраны следят за тем, в каком из кирпичей, возможно, произошло сверхредкое событие – взаимодействие с нейтрино, а затем специальный робот извлекает нужный кирпич для изучения. Один кирпич размером всегда 8 на 12 см весит 8,5 кг. Детектор устроен следующим образом: два его супермодуля представляют собой мишени, за которыми стоят мюонные спектрометры. Кирпичи и есть мишени: их более 150 тысяч, они объединены в 58 стенок. Стенки переложены светочувствительными элементами, служащими той же цели – засечь траекторию частицы. Детекторы ICARUS – два гигантских резервуара с 600 тоннами сверхчистого жидкого аргона.

Оба эксперимента изучают нейтринные осцилляции – переход одного типа нейтрино в другой.

«Это как если бы мальчики становились девочками – и наоборот. Только у нейтрино не два «пола», а больше. Мы здесь проверяем предположение о том, что «пол» нейтрино переменный: они могут переходить один в другой. Это явление и называется нейтринными осцилляциями», — говорит кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Физического института РАН Михаил Чернявский, участник коллаборации OPERA, стоя в огромном, как Новоафонская пещера, зале подземной лаборатории. Здесь, как и в пещере, гулко и круглый год постоянная температура и влажность.

OPERA наблюдает, как мюонные нейтрино, которые через толщу пород посылает в Италию ускоритель SPS из CERN, превращаются в тау-нейтрино.

«В SPS (Super proton synchrotron) пучок протонов разгоняется до энергии 400 ГэВ и направляется в неподвижную графитовую мишень. При ударе образуется ряд короткоживущих частиц – пионов (π) и каонов (К). Их фокусируют и направляют к Гран-Сассо. В результате π + и K + распадов образуется пучок нейтрино, двигающийся почти в том же направлении, что и частицы, породившие его. Средняя энергия частиц в пучке – 17,4 ГэВ, и он почти полностью состоит из мюонных нейтрино – лишь несколько процентов составляют антимюонные, электронные и антиэлектронные нейтрино», — рассказывает Чернявский.

Огромная масса детекторов нужна для того, чтобы повысить вероятность фиксации столь маловероятного события, как взаимодействие нейтрино с материей. OPERA регистрирует около 30 взаимодействий мюонных нейтрино в день, а тау-нейтрино – гораздо реже, всего несколько в год. Каждый кирпич, «подозреваемый» во взаимодействии, извлекается из детектора и тщательно изучается. Также светочувствительные слои позволяют отследить путь частицы. Перебирают кирпичи кропотливые роботы, чем-то похожие на «кормящих» в фильме «Матрица», работая и день и ночь.

«Сверхсветовые нейтрино» были замечены случайно, при калибровке пучка из CERN, и многие из ученых до конца были против публикации результатов, осознавая, что это, скорее всего, техническая ошибка. На результаты изучения «превращения девочек в мальчиков» инцидент не оказал никакого влияния.

ICARUS (Imaging Cosmic and Rare Underground signals), сконструированный по плану нобелевского лауреата Карло Руббиа, работает по-другому: в нем путь заряженной частицы – трек — отслеживается в жидком аргоне, находящемся между катодом и анодом.

«Наблюдения за осцилляциями нейтрино — пусть мы пока зарегистрировали всего несколько событий – необходимы для изучения его фундаментальных свойств, в частности массы», — говорит Этторе Сегрето, физик из итальянского Института ядерной физики.

Сейчас активная фаза эксперимента CNGS — CERN neutrinos to Gran Sasso – находится на вынужденных каникулах, так как весь ускорительный комплекс CERN остановлен на несколько лет для модернизации Большого адронного коллайдера. Однако это время физики используют для анализа данных, сбор которых всегда опережает обработку.

wikipedia.org, 24italy.ru, operaweb.lngs.infn.it, gazeta.ru/science/