September 24, 2022

Setiap detik, 100 triliun partikel kecil fantastik yang disebut neutrino melewati tubuh Anda. Hampir semua dari mereka menembak melalui kulit Anda tanpa berinteraksi sama sekali. Rasa malu mereka membuat partikel-partikel ini sangat sulit untuk dideteksi oleh fisikawan.

Namun selama beberapa dekade terakhir, dunia fisika neutrino menghadapi tantangan baru.

Dari percobaan yang dilakukan jauh di bawah Pegunungan Kaukasus di Rusia, fisikawan telah menemukan bukti lebih lanjut—diterbitkan pada 9 Juni dalam dua makalah—bahwa sepotong teori neutrino saat ini tidak pada tempatnya. Jika mereka benar, itu bisa mengungkap jenis neutrino yang belum pernah terlihat sebelumnya yang bisa terbang lebih jauh di bawah radar—dan bisa menjelaskan mengapa kita tidak bisa melihat materi gelap yang menyusun sebagian besar alam semesta kita.

“Ini mungkin, dalam pikiran saya, salah satu hasil yang paling penting dalam fisika neutrino, setidaknya dalam lima tahun terakhir,” kata Ben Jones, fisikawan neutrino di University of Texas di Arlington, yang tidak terlibat dengan percobaan.

Dalam percobaan Los Alamos, satu set 26 piringan kromium 51 yang diiradiasi menyediakan sumber neutrino elektron yang bereaksi dengan galium dan menghasilkan germanium 71 dengan laju yang dapat diukur terhadap laju yang diprediksi. AA Shikhin

Kasus neutrino yang berperilaku buruk

Seperti makhluk dari bidang yang sangat halus, neutrino bereaksi dengan lingkungan materialnya dengan hemat. Dengan muatan listrik nol, mereka tidak rentan terhadap elektromagnetisme. Mereka juga tidak terlibat dalam interaksi nuklir yang kuat, yang membantu mengikat partikel bersama-sama di jantung atom.

Tetapi neutrino memang berperan dalam gaya nuklir lemah, yang—menurut Model Standar, kerangka teoretis yang membentuk dasar fisika partikel modern—bertanggung jawab atas jenis radioaktivitas tertentu.

Sebagian besar neutrino yang kita amati di Bumi lahir dari proses radioaktif di matahari. Untuk mengamatinya, para ilmuwan mengandalkan observatorium neutrino di bawah laut atau terkubur jauh di bawah kerak planet. Seringkali tidak mudah untuk mengetahui apakah detektor neutrino bekerja dengan baik, jadi fisikawan dapat mengkalibrasi peralatan mereka dengan menempatkan isotop tertentu—seperti kromium-51, yang emisi neutrinonya mereka ketahui dengan baik—di dekatnya.

See also  Rencana pangkalan bulan NASA kembali dalam sejarah luar angkasa

Namun, ketika fisika neutrino memperoleh momentum pada 1990-an, para peneliti melihat sesuatu yang aneh. Dalam beberapa percobaan, ketika mereka mengkalibrasi detektornya, mereka mulai menemukan lebih sedikit neutrino daripada yang diperhitungkan dalam fisika partikel teoretis.

Misalnya, pada tahun 1997 di Los Alamos National Lab di New Mexico, para ilmuwan dari AS dan Rusia membuat tangki berisi galium, logam yang cair pada hari musim panas yang hangat. Saat neutrino menabrak galium, atom unsur menyerap partikel. Proses itu mengubah galium menjadi logam yang lebih padat, germanium—semacam peluruhan radioaktif terbalik. Fisikawan mengukur germanium itu untuk melacak berapa banyak neutrino yang telah melewati tangki.

Tetapi ketika tim Los Alamos menguji sistem mereka dengan kromium-51, mereka menemukan terlalu banyak galium—dan terlalu sedikit neutrino, dengan kata lain. Defisit ini dikenal sebagai “anomali galium.”

[Related: Why Los Alamos lab is working on the tricky task of creating new plutonium cores]

Sejak itu, para ahli yang meneliti anomali galium telah mengeksplorasi penjelasan tentatif. Fisikawan partikel tahu bahwa neutrino datang dalam tiga “rasa”: neutrino elektron, neutrino muon, dan neutrino tau, masing-masing memainkan peran berbeda dalam tarian dunia kuantum. Dalam keadaan tertentu, adalah mungkin untuk mengamati pergantian neutrino di antara rasa. Pergeseran itu disebut “osilasi neutrino.”

Itu mengarah pada kemungkinan yang menarik—bahwa neutrino hilang dalam anomali galium karena mereka melompat ke rasa tersembunyi lainnya, yang bahkan kurang reaktif terhadap dunia fisik. Para fisikawan datang dengan nama untuk kategori: neutrino steril.

Kisah neutrino steril hanyalah sebuah ide, tetapi mendapat dukungan. Sekitar waktu yang sama, fisikawan di tempat-tempat seperti Los Alamos dan Fermilab di pinggiran kota Chicago mulai mengamati osilasi neutrino secara langsung. Ketika mereka melakukannya, mereka menemukan perbedaan jumlah neutrino dari setiap rasa yang mereka harapkan muncul dan berapa banyak yang benar-benar muncul.

See also  Apakah planet ekstrasurya ini adalah dunia air?

“Entah beberapa eksperimen salah,” kata Jones, “atau sesuatu yang lebih menarik dan aneh sedang terjadi yang memiliki ciri berbeda.”

Mesin detektor neutrino steril di ruang bawah tanah besar di Rusia
Pengaturan utama Percobaan Baksan pada Transisi Steril. VN Gavrin/BEST

Mencari tanda tangan steril

Jadi seperti apa bentuk neutrino steril itu? Nama “steril”, dan fakta bahwa fisikawan belum mendeteksinya melalui saluran normal, menunjukkan bahwa kelas partikel ini juga menghindari gaya nuklir lemah. Itu hanya menyisakan satu cara mereka dapat berinteraksi dengan lingkungan mereka: gravitasi.

Pada skala subatomik yang disebut neutrino sebagai rumah, ditambah dengan massanya yang kecil, gravitasi sangat lemah. Neutrino steril akan sangat sulit dideteksi.

Itu berlaku hingga abad ke-21, karena anomali itu terlalu tidak konsisten bagi fisikawan untuk mengetahui apakah itu merupakan neutrino steril. Beberapa percobaan menemukan anomali; yang lain tidak. Jumlah eksperimen tampaknya melukiskan mural bukti tidak langsung. “Saya pikir begitu banyak orang melihatnya,” kata Jones. “Begitulah cara saya melihatnya.”

Jadi, fisikawan menciptakan observatorium baru untuk menguji anomali galium Los Alamos. Mereka menamakannya Eksperimen Baksan tentang Transisi Steril, atau, dalam tradisi fisika yang membanggakan dari akronim tegang, TERBAIK.

Observatorium itu terletak di sebuah terowongan yang terkubur lebih dari satu mil di bawah Sungai Baksan di republik Kabardino-Balkaria Rusia, di seberang pegunungan dari negara Georgia. Di sana, sebelum invasi Rusia ke Ukraina membuat komunitas ilmiah lokal kacau balau, tim fisikawan partikel internasional menciptakan kembali eksperimen galium Los Alamos, yang secara khusus mencari neutrino yang hilang.

BEST menemukan anomali lagi dengan mendeteksi germanium 20 hingga 25 persen lebih sedikit dari yang diperkirakan. “Ini jelas menegaskan kembali anomali yang telah kita lihat dalam eksperimen sebelumnya,” Steve Elliot, fisikawan partikel di Los Alamos National Laboratory dan kolaborator eksperimen BEST, mengatakan dalam sebuah pernyataan pada awal Juni. “Tapi apa artinya ini tidak jelas.”

See also  NASA berhasil mengisi bahan bakar roket Artemis 1

Meskipun hasil yang memuaskan, fisikawan tidak maju dari diri mereka sendiri. BEST hanyalah satu percobaan, dan itu tidak menjelaskan setiap perbedaan yang pernah dianggap berasal dari neutrino steril. (Analisis lain berpendapat bahwa hasil Fermilab tidak mungkin merupakan tanda-tanda neutrino steril, meskipun mereka tidak menawarkan penjelasan alternatif.)

[Related: Meet the mysterious particle that’s the dark horse in dark matter]

Tetapi jika para ilmuwan menemukan bukti serupa dalam skenario lain—misalnya, dalam eksperimen neutrino IceCube, terkubur di bawah lapisan Antartika, atau di detektor lain yang sengaja direncanakan untuk perburuan neutrino steril—itu akan menjadi bukti nyata dan meyakinkan bahwa ada sesuatu yang di luar sana.

Jika hasil TERBAIK berlaku—dan dikonfirmasi oleh eksperimen lain—itu tetap tidak berarti neutrino steril bertanggung jawab atas anomali tersebut. Partikel lain yang belum ditemukan mungkin sedang bermain, atau seluruh perbedaan bisa menjadi sidik jari dari beberapa proses yang aneh dan tidak diketahui. Namun, jika ide neutrino steril itu benar, itu akan melanggar teori terbesar di balik beberapa objek terkecil di dunia.

“Ini akan menjadi bukti nyata, tidak hanya fisika di luar Model Standar, tetapi fisika yang benar-benar baru dan tidak dipahami,” kata Jones.

Sederhananya, jika neutrino steril ada, implikasinya akan jauh melampaui fisika partikel. Neutrino steril mungkin menyusun sebagian besar materi gelap alam semesta kita, yang menampung enam kali lebih banyak materi yang dapat kita lihat—dan yang komposisinya masih belum kita pahami.