I neutrini del fascio Cngs (Cern Neutrinos to Gran Sasso) vengono prodotti al Cern inviando dei pacchetti di protoni contro un bersaglio di grafite e convogliando i prodotti di interazione all’interno di un tunnel di decadimento, che è sotto vuoto e lungo circa un chilometro. Tra questi prodotti di decadimento ci sono i neutrini muonici che procedono indisturbati verso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (Lngs) dell’Infn, dove l’esperimento Opera mira a identificare quanti neutrini oscillano, cioè si “trasformano” da muonici in tauonici lungo il percorso. Ma Opera è anche in grado di misurare il tempo di volo, ovvero l’intervallo temporale che intercorre tra la produzione e la rivelazione del neutrino, che è un’informazione importante per i fisici. Infatti, conoscendo la distanza percorsa, ottenuta anch’essa con misure di grande precisione, si risale poi alla velocità del neutrino.

Non essendo noto il punto di produzione del neutrino all’interno del tubo di decadimento, la misura del tempo di volo viene effettuata prendendo come istante iniziale quello del passaggio del pacchetto di protoni, che ha dato origine al neutrino rivelato, in un punto prefissato posto prima del Biografia bersaglio (nel Beam Current Transformer, Bct), e come istante finale quello in cui il neutrino ha interagito in un certo punto dell’apparato ai Lngs (il che accade molto raramente). Anche se non si può associare al neutrino rivelato il protone “genitore” all’interno del pacchetto, i pacchetti sono così compatti che si riesce a individuare l’istante iniziale con una precisione di pochi nanosecondi. Questa procedura assume che, dall’istante iniziale all’istante in cui viene prodotto il neutrino, i protoni e i loro prodotti di interazione viaggino alla velocità della luce. Essendo questo intervallo molto minore dell’intera durata del viaggio verso i Lngs, l’approssimazione è ampiamente giustificata. La misura si riduce quindi a collegare i tempi iniziale e finale con quelli di due ricevitori Gps posti rispettivamente all’esterno dei laboratori del Cern e dei Lngs. Questa operazione, tra le più delicate dell’intera procedura, è in parte svolta utilizzando la tecnologia White Rabbit e in parte mediante misure di calibrazione dei vari ritardi temporali introdotti dalla propagazione dei segnali all’interno del rivelatore. Per un altro aspetto determinante, il modo con cui vengono agganciati tra loro i due segnali Gps, si è fatto uso della tecnica common view, in cui solo i segnali emessi dai satelliti visti simultaneamente da entrambi i siti vengono presi in considerazione. L’intera procedura ha consentito di misurare il tempo di volo con una precisione di qualche nanosecondo, un milione di volte inferiore rispetto alla durata dell’intero viaggio dei neutrini.

Come è noto, nel settembre del 2011 la misura del tempo di volo dell’esperimento Opera aveva fornito un risultato anomalo, compatibile con una velocità di propagazione superluminale (più veloce della luce) per i neutrini, contraddicendo il limite imposto dalla teoria della relatività di Einstein. Nuove calibrazioni e ulteriori controlli effettuati sui ritardi di propagazione dei segnali di sincronizzazione temporale hanno però messo in luce due errori strumentali responsabili di questa anomalia e pochi mesi più tardi il risultato è stato smentito. Gli studi effettuati per capire l’anomalia, uniti ai risultati che nel frattempo pervenivano da altri esperimenti indipendenti, hanno definitivamente confermato l’errore ma, al contempo, hanno aperto nuove prospettive per misure temporali di altissima precisione a grandi distanze.