Kita dibanjiri neutrino. Mereka termasuk yang paling ringan dari dua lusin partikel subatomik yang dikenal dan mereka datang dari segala arah: dari Big Bang yang memulai alam semesta, dari bintang-bintang yang meledak dan, terutama, dari matahari. Mereka datang langsung melalui bumi dengan kecepatan cahaya, sepanjang waktu, siang dan malam, dalam jumlah yang sangat besar. Sekitar 100 triliun neutrino melewati tubuh kita setiap detik.
Konten terkait
- Membuka Portal Aneh dalam Fisika
Masalah bagi fisikawan adalah bahwa neutrino tidak mungkin dilihat dan sulit dideteksi. Setiap instrumen yang dirancang untuk melakukan itu mungkin terasa kuat saat disentuh, tetapi untuk neutrino, bahkan stainless steel sebagian besar merupakan ruang kosong, seluas terbuka seperti tata surya bagi komet. Terlebih lagi, neutrino, tidak seperti kebanyakan partikel subatomik, tidak memiliki muatan listrik — mereka netral, karena itulah namanya — sehingga para ilmuwan tidak dapat menggunakan kekuatan listrik atau magnetik untuk menangkapnya. Fisikawan menyebutnya "partikel hantu."
Untuk menangkap entitas yang sulit dipahami ini, fisikawan telah melakukan beberapa eksperimen yang sangat ambisius. Agar neutrino tidak bingung dengan sinar kosmik (partikel subatomik dari luar angkasa yang tidak menembus bumi), detektor dipasang jauh di bawah tanah. Yang besar ditempatkan di tambang emas dan nikel, di terowongan di bawah gunung, di lautan, dan di es Antartika. Perangkat aneh yang indah ini adalah monumen untuk tekad umat manusia untuk belajar tentang alam semesta.
Tidak jelas aplikasi praktis apa yang akan datang dari mempelajari neutrino. "Kami tidak tahu ke mana ia akan menuju, " kata Boris Kayser, seorang ahli fisika teoretis di Fermilab di Batavia, Illinois.
Fisikawan mempelajari neutrino sebagian karena neutrino adalah karakter yang begitu aneh: mereka tampaknya melanggar aturan yang menggambarkan alam paling mendasar. Dan jika fisikawan akan memenuhi harapan mereka untuk mengembangkan teori realitas yang koheren yang menjelaskan dasar-dasar alam tanpa kecuali, mereka harus memperhitungkan perilaku neutrino.
Selain itu, neutrino membangkitkan minat para ilmuwan karena partikel-partikel itu adalah pembawa pesan dari bagian luar alam semesta, yang diciptakan oleh galaksi yang meledak dengan hebat dan fenomena misterius lainnya. "Neutrino mungkin bisa memberi tahu kita hal-hal yang tidak bisa dilakukan oleh partikel-partikel yang membosankan, " kata Kayser.
Fisikawan membayangkan neutrino jauh sebelum mereka menemukannya. Pada 1930, mereka menciptakan konsep untuk menyeimbangkan persamaan yang tidak bertambah. Ketika inti atom radioaktif hancur, energi partikel yang dipancarkannya harus sama dengan energi yang dikandungnya semula. Tetapi pada kenyataannya, para ilmuwan mengamati, nukleus kehilangan lebih banyak energi daripada yang ditangkap oleh detektor. Jadi untuk menjelaskan energi ekstra itu, fisikawan Wolfgang Pauli menyusun partikel ekstra yang tak terlihat yang dipancarkan oleh inti. "Saya telah melakukan sesuatu yang sangat buruk hari ini dengan mengusulkan partikel yang tidak dapat dideteksi, " tulis Pauli dalam jurnalnya. "Itu adalah sesuatu yang tidak boleh dilakukan oleh ahli teori."
Eksperimentalis mulai mencarinya. Di laboratorium senjata nuklir di South Carolina pada pertengahan 1950-an, mereka menempatkan dua tangki air besar di luar reaktor nuklir yang, menurut persamaan mereka, seharusnya menghasilkan sepuluh triliun neutrino per detik. Detektor itu kecil dari standar hari ini, tetapi masih berhasil menemukan neutrino — tiga jam. Para ilmuwan telah menetapkan bahwa neutrino yang diusulkan ternyata nyata; Mempelajari partikel yang sulit dipahami dipercepat.
Satu dekade kemudian, bidang itu ditingkatkan ketika sekelompok fisikawan lain memasang detektor di tambang emas Homestake, di Lead, South Dakota, 4.850 kaki di bawah tanah. Dalam percobaan ini para ilmuwan berangkat untuk mengamati neutrino dengan memantau apa yang terjadi pada kesempatan langka ketika neutrino bertabrakan dengan atom klorin dan menciptakan argon radioaktif, yang mudah terdeteksi. Inti dari percobaan ini adalah sebuah tangki berisi 600 ton cairan yang kaya akan klorin, perchloroethylene, cairan yang digunakan dalam dry-cleaning. Setiap beberapa bulan, para ilmuwan akan menyiram tangki dan mengekstraksi sekitar 15 atom argon, bukti 15 neutrino. Pemantauan berlanjut selama lebih dari 30 tahun.
Berharap untuk mendeteksi neutrino dalam jumlah yang lebih besar, para ilmuwan di Jepang memimpin percobaan 3.300 kaki di bawah tanah di sebuah tambang seng. Super-Kamiokande, atau Super-K seperti yang diketahui, mulai beroperasi pada tahun 1996. Detektor ini terdiri dari 50.000 ton air dalam tangki berkubah yang dindingnya ditutupi dengan 13.000 sensor cahaya. Sensor mendeteksi sesekali kilatan biru (terlalu samar untuk dilihat mata kita) yang dibuat ketika neutrino bertabrakan dengan atom di dalam air dan menciptakan elektron. Dan dengan menelusuri jalur yang tepat yang dilalui elektron di dalam air, fisikawan dapat menyimpulkan sumber, di ruang angkasa, dari neutrino yang bertabrakan. Sebagian besar, mereka temukan, berasal dari matahari. Pengukuran cukup sensitif sehingga Super-K dapat melacak jalur matahari melintasi langit dan, dari hampir satu mil di bawah permukaan bumi, perhatikan siang hari berubah menjadi malam hari. "Ini benar-benar hal yang menyenangkan, " kata Janet Conrad, seorang ahli fisika di Massachusetts Institute of Technology. Jejak partikel dapat dikompilasi untuk membuat "gambar yang indah, gambar matahari dalam neutrino."
Tetapi eksperimen Homestake dan Super-K tidak mendeteksi neutrino sebanyak yang diperkirakan oleh fisikawan. Penelitian di Sudbury Neutrino Observatory (SNO, dilafalkan "salju") menentukan mengapa. Dipasang di tambang nikel sedalam 6.800 kaki di Ontario, SNO mengandung 1.100 ton "air berat, " yang memiliki bentuk hidrogen yang tidak biasa yang bereaksi relatif mudah dengan neutrino. Cairan itu ada dalam tangki yang digantung di dalam bola akrilik besar yang dengan sendirinya disimpan di dalam struktur atas geodesik, yang menyerap getaran dan digantungkan 9456 sensor cahaya — semuanya tampak seperti hiasan pohon Natal setinggi 30 kaki.
Para ilmuwan yang bekerja di SNO menemukan pada tahun 2001 bahwa neutrino dapat secara spontan beralih di antara tiga identitas yang berbeda — atau seperti yang dikatakan oleh fisikawan, ia berosilasi di antara tiga rasa. Penemuan ini memiliki implikasi mengejutkan. Untuk satu hal, itu menunjukkan bahwa percobaan sebelumnya telah mendeteksi neutrino jauh lebih sedikit daripada yang diperkirakan karena instrumen disetel ke hanya satu rasa neutrino - jenis yang menciptakan elektron - dan tidak ada yang beralih. Bagi yang lain, temuan itu menggulingkan kepercayaan fisikawan bahwa neutrino, seperti foton, tidak memiliki massa. (Berosilasi di antara rasa adalah sesuatu yang hanya dapat dilakukan oleh partikel dengan massa.)
Berapa banyak massa yang dimiliki neutrino? Untuk mengetahuinya, fisikawan sedang membangun KATRIN — Eksperimen Tritium Neutrino Karlsruhe. Akhir bisnis KATRIN menawarkan alat seberat 200 ton yang disebut spektrometer yang akan mengukur massa atom sebelum dan setelah mereka membusuk secara radioaktif — dengan demikian mengungkapkan berapa banyak massa yang dibawa neutrino. Teknisi membangun spektrometer sekitar 250 mil dari Karlsruhe, Jerman, tempat eksperimen akan beroperasi; alat itu terlalu besar untuk jalan-jalan sempit di kawasan itu, jadi alat itu diletakkan di atas kapal di Sungai Danube dan melayang melewati Wina, Budapest, dan Beograd, ke Laut Hitam, melalui Laut Aegea dan Mediterania, di sekitar Spanyol, melalui Selat Inggris, ke Rotterdam dan ke Rhine, lalu ke selatan ke pelabuhan sungai Leopoldshafen, Jerman. Di sana itu diturunkan ke sebuah truk dan mencicit melalui kota ke tujuannya, dua bulan dan 5.600 mil kemudian. Itu dijadwalkan untuk mulai mengumpulkan data pada 2012.
Fisikawan dan astronom tertarik pada informasi bahwa neutrino dari luar angkasa dapat membawa supernova atau galaksi yang bertabrakan telah membuat "teleskop" neutrino. Salah satunya, yang disebut IceCube, berada di dalam sebuah lapangan es di Antartika. Ketika selesai, pada 2011, itu akan terdiri dari lebih dari 5.000 sensor cahaya biru (lihat diagram di atas). Sensor diarahkan bukan ke langit, seperti yang Anda duga, tetapi ke tanah, untuk mendeteksi neutrino dari matahari dan luar angkasa yang datang melalui planet dari utara. Bumi memblokir sinar kosmik, tetapi sebagian besar neutrino menembus planet seluas 8.000 mil seolah-olah tidak ada di sana.
Eksperimen neutrino jarak jauh sedang berlangsung di beberapa negara bagian Midwest. Akselerator berenergi tinggi, yang menghasilkan partikel subatomik, menembakkan sinar neutrino dan partikel terkait sejauh enam mil, di bawah Illinois utara, melintasi Wisconsin dan ke Minnesota. Partikel-partikel itu bermula di Fermilab, sebagai bagian dari eksperimen yang disebut Pencarian Injector Neutrino Oscillation Search (MINOS). Dalam waktu kurang dari tiga per seribu detik, mereka menabrak detektor di tambang besi Soudan, 450 mil jauhnya. Data yang dikumpulkan para ilmuwan memperumit gambaran mereka tentang dunia yang sangat kecil ini: sekarang tampak bahwa bentuk eksotis neutrino, yang disebut anti-neutrino, mungkin tidak mengikuti aturan osilasi yang sama dengan neutrino lainnya.
"Yang keren, " kata Conrad, "bukan itu yang kita harapkan."
Ketika berbicara tentang neutrino, sangat sedikit.
Buku terbaru Ann Finkbeiner, A Grand and Bold Thing, adalah tentang Sloan Digital Sky Survey, upaya untuk memetakan alam semesta.
Sebagian besar neutrino yang membombardir kita berasal dari matahari, ditunjukkan di sini dalam gambar ultraviolet. (NASA) 
Detektor Super-Kamiokande di Jepang dipenuhi dengan 13.000 sensor untuk menunjukkan tanda-tanda neutrino. Pekerja di kapal memantau perangkat saat diisi dengan air. (Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), Universitas Tokyo) 
Dalam serangkaian reaksi pada inti matahari, atom hidrogen menciptakan helium melalui fusi. Proses melepaskan energi dan partikel subatomik, termasuk neutrino. Ketika sebuah foton, atau partikel cahaya, meninggalkan inti matahari yang padat, ia terperangkap dalam panas dan amarah dan mungkin tidak mencapai kita selama jutaan tahun. Tetapi neutrino matahari tidak terganggu dan mencapai bumi dalam delapan menit. (Infografis Samuel Velasco / 5W) 
Sudbury Neutrino Observatory Kanada mengkonfirmasi bahwa neutrino dapat mengubah identitasnya. (SNO) 
Fisikawan di Brookhaven National Laboratory di New York, ditunjukkan di sini di detektor STAR laboratorium, berharap untuk menembakkan sinar neutrino di bawah tanah ke tambang Homestake di South Dakota. (BNL) 
Detektor neutrino MINOS di Minnesota adalah target sinar tembakan neutrino dari Illinois. (Layanan Media Visual Fermilab) 
Spektrometer KATRIN, yang akan mengukur massa neutrino, diperas melalui Leopoldshafen, Jerman, dalam perjalanan ke lab. (Institut Teknologi Karlsruhe) 
Detektor neutrino IceCube di Antartika tertanam di dalam es. Dengan 5.000 sensor terpasang pada lebih dari 70 jalur, IceCube akan mencari neutrino yang telah melewati 8.000 mil melalui planet ini. (Universitas Wisconsin-Madison) 
Sederetan sensor turun ke lubang sedalam 8.000 kaki. (Jim Haugen / Yayasan Sains Nasional)
