Bagaimana Bumi Menghentikan Neutrino Berenergi Tinggi

Bagaimana Bumi Menghentikan Neutrino Berenergi Tinggi

Icecube Detector / aasnova.org

SHNet, Pennsylvania – Untuk pertama kalinya, eksperimen ilmu pengetahuan telah mengukur kemampuan Bumi untuk menyerap neutrino, yakni partikel partikel yang lebih kecil dari atom yang meluncur ke seluruh angkasa dan melewati kita triliunan jumlahnya per detik hampir mendekati kecepatan cahaya. Percobaan ini dicapai dengan detektor IceCube, sebuah sususan yang terdiri dari 5.160 sensor berukuran bola basket yang membeku dalam jarak satu kilometer kubik dari es yang sangat bersih di dekat Kutub Selatan.

Hasil percobaan kolaborasi IceCube ini, yang mencakup fisikawan Penn State, dipublikasikan dalam jurnal Nature edisi online pada 22 November 2017.

“Pencapaian ini penting karena pertama kali menunjukkan bahwa neutrino berenergi sangat tinggi dapat diserap oleh sesuatu, yang dalam hal ini adalah Bumi,” kata Doug Cowen, profesor fisika dan astronomi & astrofisika di Penn State. Deteksi pertama neutrino berenergi sangat tinggi dilakukan oleh IceCube pada tahun 2013, namun masih ada misteri yang menggelayuti yaitu tentang apakah materi apa pun dapat benar-benar menghentikan perjalanan neutrino melalui ruang angkasa. “Kami tahu bahwa neutrino berenergi rendah melewati apa saja,” kata Cowen, “namun meskipun kami memperkirakan neutrino berenergi tinggi berbeda, tidak ada eksperimen sebelumnya yang dapat menunjukkan dengan meyakinkan bahwa neutrino berenergi tinggi dapat dihentikan oleh apa pun.”

Hasil di jurnal Nature didasarkan pada satu tahun data dari sekitar 10.800 neutrino yang berhubungan dengan interaksi. Cowen dan Tyler Anderson, asisten profesor ilmu fisika di Penn State, adalah anggota kolaborasi IceCube. Mereka adalah rekan penulis jurnal Nature yang membantu membangun detektor IceCube dan berkontribusi pada pemeliharaan dan pengelolaannya.

Penemuan baru dengan IceCube ini merupakan tambahan yang menarik bagi pemahaman mendalam kita tentang bagaimana alam semesta bekerja. Ini juga merupakan sedikit kekecewaan bagi mereka yang mengharapkan sebuah eksperimen yang akan mengungkapkan sesuatu yang tidak dapat dijelaskan oleh Model Standar Fisika Partikel saat ini. “Hasil studi Ice Cube ini sepenuhnya sesuai dengan Model Standar Fisika Partikel, yaitu tentang teori penguasaan yang selama setengah abad terakhir telah menggambarkan semua kekuatan fisik di alam semesta kecuali gravitasi,” jelas Cowen.

Gambar yang menunjukkan representasi visual dari salah satu detektor neutrino energi tertinggi yang ditumpangkan pada pandangan Lab IceCube di Kutub Selatan. (sciencedaily.com)

Neutrinos pertama terbentuk di awal alam semesta, dan mereka terus diproduksi oleh bintang-bintang di seluruh ruang angkasa dan oleh reaktor nuklir di Bumi. “Memahami bagaimana interaksi neutrino adalah kunci dalam operasi IceCube,” jelas Francis Halzen, peneliti utama untuk IceCube Neutrino Observatory dan profesor fisika dari Universitas Wisconsin-Madison. “Kami tentu berharap ada beberapa fisika baru, tapi sayangnya kami menganggap Model Standar, seperti biasa, tahan uji,” kata Halzen.

Sensor IceCube tidak secara langsung mengamati neutrino, namun mengukur kilatan cahaya biru, yang dikenal dengan radiasi ‘Cherenkov” yaitu radiasi elektromagnetik yang dihasilkan ketika partikel bermuatan (seperti elektron) melewati medium dielektrik dengan kecepatan yang lebih besar dari kecepatan fase cahaya di medium tersebut, dipancarkan setelah serangkaian interaksi yang melibatkan partikel bermuatan bergerak cepat yang tercipta saat neutrino berinteraksi dengan es. Dengan mengukur pola cahaya dari interaksi ini di dalam atau di dekat detektor, IceCube dapat memperkirakan energi dan arah perjalanan neutrino. Para ilmuwan akhirnya menemukan bahwa neutrino yang harus menempuh perjalanan terjauh melalui Bumi cenderung tidak mencapai detektor.

Sebagian besar neutrino yang dipilih untuk penelitian ini lebih dari satu juta kali lebih energik daripada neutrino yang diproduksi oleh sumber yang lebih dikenal, seperti Matahari atau pembangkit listrik tenaga nuklir. Analisis tersebut juga mencakup sejumlah kecil neutrino astrofisika, yang diproduksi di luar atmosfer bumi, dari akselerator kosmik yang tidak diketahui sampai saat ini, mungkin terkait dengan lubang hitam supermasif.

“Neutrino memiliki reputasi yang cukup baik untuk mengejutkan kita dengan perilakunya,” kata Darren Grant, juru bicara Kolaborasi IceCube, seorang profesor fisika di Universitas Alberta di Kanada, dan seorang mantan sarjana postdoctoral di Penn State. “Sangat mengasyikkan untuk melihat pengukuran pertama ini dan potensi yang dimilikinya untuk tes presisi di masa depan.”

Selain memberikan pengukuran pertama penyerapan neutrino di Bumi, analisis tersebut menunjukkan bahwa jangkauan ilmiah IceCube melampaui fokus utamanya pada penemuan fisika partikel dan bidang astronomi neutrino yang muncul ke bidang ilmu pengetahuan planet dan fisika nuklir. Analisis ini juga menarik bagi ahli geofisika yang ingin menggunakan neutrino untuk menggambarkan interior bumi guna mengeksplorasi batas antara inti padat dalam bumi dan inti luar cairnya. (HNP)