利用2000噸重的乳膠尋跡設(shè)備開(kāi)展中微子振蕩實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（Oscillation Project with Emulsion Tracking Apparatus，簡(jiǎn)稱OPERA）已獲得西歐中心批準(zhǔn)。

西歐中心的中微子束流到意大利Gran Sasso的項(xiàng)目正在建造中?？⒐ず?，將從西歐中心將高能中微子束流送到730公里以外的意大利地下Gran Sasso實(shí)驗(yàn)室，那里將組裝OPERA探測(cè)器。預(yù)計(jì)2005年發(fā)送第一批中微子。該實(shí)驗(yàn)有包括西歐中心、中國(guó)和日本在內(nèi)的12個(gè)國(guó)家的33個(gè)研究機(jī)構(gòu)參加。

傳統(tǒng)上說(shuō)來(lái)，中微子有三種——電子中微子、μ子中微子和τ中微子（取決于它們的伴粒子）。這些中微子的類型假設(shè)是不變的，所以與μ子一道產(chǎn)生的中微子應(yīng)該永遠(yuǎn)是μ子中微子。

但是，監(jiān)視大氣中由宇宙線產(chǎn)生的中微子到達(dá)的主要實(shí)驗(yàn)提供了中微子不是不變的強(qiáng)烈跡象。為解釋所觀測(cè)到的這一行為，即一些出發(fā)的μ子中微子途中可能轉(zhuǎn)變?yōu)?/SPAN>τ中微子，并為使看到這樣的中微子“振蕩”的機(jī)會(huì)達(dá)到最大程度，實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)長(zhǎng)“基線”，本項(xiàng)目就是基于西歐中心和Gran Sasso實(shí)驗(yàn)室之間730公里的距離。因?yàn)檫@些振蕩，離開(kāi)西歐中心時(shí)，出發(fā)的μ子的中微子束在到達(dá)Gran Sasso時(shí)含有τ中微子。它們相互作用時(shí)，這些τ中微子可產(chǎn)生極不穩(wěn)定的τ輕子，這些τ輕子在中微子相互作用點(diǎn)1毫米內(nèi)衰變。識(shí)別這些極小的衰變過(guò)程是OPERA實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)。

為此，必須使用一臺(tái)空間分辨率出色的探測(cè)器。OPERA所選擇的技術(shù)是乳膠云室技術(shù)，用由乳膠層間隔開(kāi)來(lái)的吸收體（鉛）材料片展示由中微子相互作用留下的軌跡。OPERA的基本部件是一個(gè)由1毫米厚的鉛板后面跟著一個(gè)薄膜構(gòu)成的單元，薄膜由一個(gè)200微米塑料片基、每側(cè)有一對(duì)大約50微米的乳膠層組成，如下圖所示。所有單元依次排列在可抽取的“磚塊”中，磚塊用來(lái)建“壁”、模塊和超級(jí)模塊。乳膠云室的格子下游是個(gè)μ子譜儀。

 OPERA采用1毫米厚的鉛板片，鉛板間為薄膜，上圖說(shuō)明中微子的軌跡如何開(kāi)始。

每個(gè)可抽取的磚塊，重8.3公斤，尺寸為10.2 x 12.7厘米（與束流橫向）和7.5厘米（沿束流方向），由56個(gè)單個(gè)單元組成。探測(cè)器壁由3264塊磚塊組成，有兩個(gè)電子尋跡器（塑料閃爍體由波長(zhǎng)轉(zhuǎn)變光纖讀出）平面，構(gòu)成一個(gè)模塊。每個(gè)靶超級(jí)模塊24個(gè)模塊組成，與束流垂直的截面約為6 x 7 米的整個(gè)探測(cè)器有3個(gè)超級(jí)模塊，共235000塊磚塊。

上圖為模擬OPERA中的τ中微子相互作用。束流從左邊進(jìn)入并撞擊磚塊壁中的原子核。每個(gè)壁后面都跟隨與束流垂直的靶尋跡器平面。右邊溜走的長(zhǎng)軌跡是μ子。

2000年在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的DONUT（Direct Observation of NU Tau）（直接觀測(cè)ν_τ）實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)采用乳膠云室技術(shù)首次觀測(cè)到明顯的τ中微子信號(hào)，顯示出乳膠云室技術(shù)的效力。中微子將一個(gè)高能質(zhì)子束撞入一個(gè)緊湊型“束流收集器”中，從而直接產(chǎn)生少量的像τ一樣的中微子，而不是通過(guò)振蕩產(chǎn)生這樣的中微子，DONUT實(shí)驗(yàn)監(jiān)視到了中微子的結(jié)果。

由于天然的差異，待中微子束到達(dá)Gran Sasso實(shí)驗(yàn)室時(shí)，它已經(jīng)散開(kāi)在800米的區(qū)域內(nèi)。這意味著，雖然OPERA強(qiáng)大，但它只能看到一小部分到達(dá)的束流。

為建造這個(gè)探測(cè)器，Gran Sasso 實(shí)驗(yàn)室的一條組裝線將按每分鐘約兩塊的速度把鉛板和乳膠膜疊成磚塊。計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人將按其分配的位置將磚塊排列起來(lái)。要將磚塊填充在探測(cè)器里大約需要一年的時(shí)間。

在粒子物理實(shí)驗(yàn)中，乳膠膜具有很長(zhǎng)的歷史。一個(gè)重要的事件是1947年進(jìn)行的宇宙線研究中發(fā)現(xiàn)了π介子。上個(gè)世紀(jì)70年代末，日本名古屋組率先利用計(jì)算機(jī)處理的顯微鏡進(jìn)行自動(dòng)乳膠掃描。日本的乳膠被用于在西歐中心進(jìn)行的CHORUS（CERN Hybrid Oscillation Research apparatUS）中微子實(shí)驗(yàn)和在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的DONUT實(shí)驗(yàn)。然而，OPERA所需要的乳膠量將超過(guò)任何以前實(shí)驗(yàn)所用的乳膠量。一種新的工業(yè)技術(shù)正在名古屋和富士膠片公司之間的合作中不斷完善。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，整個(gè)探測(cè)器會(huì)不斷地被其電子探測(cè)器所監(jiān)視。這些電子尋跡器位于每個(gè)壁的下游，也被用來(lái)識(shí)別中微子相互作用發(fā)生的磚塊。這些磚塊（每天30）被移到地下大廳之外進(jìn)行標(biāo)定，然后拆開(kāi)，沖洗乳膠板。

為查找中微子相互作用的地點(diǎn)，需要采用比CHORUS和DONUT實(shí)驗(yàn)使用的更快的掃描程序。這樣的程序正在開(kāi)發(fā)中。進(jìn)一步掃描將尋找τ衰變的結(jié)果和τ中微子相互作用的結(jié)果。按目前實(shí)驗(yàn)提出的振蕩率，OPERA在5年的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，應(yīng)該感到約15次τ中微子相互作用。如果是這樣，那將證明在大氣中微實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的像μ子一樣的中微子的消失的確是因?yàn)檎袷幊蔀?/SPAN>τ一樣的中微子。

OPERA探測(cè)器示意圖
　　

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