Misteri Hilangnya Neutrino



Selama paruh pertama abad ke 20, fisikawan percaya bahwa sumber energi berupa cahaya yang dipancarkan oleh matahari didapatkan melalui proses pengubahan hidrogen menjadi helium yang berlangsung di dalam inti matahari. Menurut proses tersebut, empat inti hidrogen (disebut proton [p]) diubah menjadi sebuah inti helium (4He), dua anti elektron (e+, yaitu elektron yang bermuatan positif [positron]), dan dua buah partikel asing dan misterius yang disebut dengan neutrino. Proses konversi inti inilah, yang dikenal dengan nama fusi inti, dipercaya bertanggung jawab terhadap tersedianya sinar matahari yang dipancarkan secara terus menerus hingga saat ini oleh matahari.

Menurut teori tersebut, tiap kali terjadi reaksi fusi dihasilkan dua buah neutrino. Karena massa empat buah foton jauh lebih besar dibandingkan dengan massa sebuah inti helium ditambah dua elektron positif dan dua neutrino, maka reaksi di atas akan melepaskan sejumlah energi ke matahari yang selanjutnya berubah menjadi pancaran cahaya yang sampai ke bumi. Reaksi tersebut terjadi cukup sering. Neutrino mudah sekali meloloskan diri dari matahari dan energinya tidak akan muncul dalam bentuk panas matahari atau cahaya matahari. Kadang-kadang neutrino dihasilkan dengan energi yang relatif rendah; pada kondisi ini matahari memperoleh panas. Kadang-kadang juga neutrino dihasilkan dengan energi yang lebih tinggi; dan pada kondisi ini matahari akan mendapatkan energi yang lebih rendah.

Neutrino memiliki muatan listrik nol, sehingga bisa dikatakan tidak berinteraksi dengan materi. Selain itu, menurut versi buku teks tentang model standar fisika partikel, neutrino merupakan partikel yang tidak memiliki massa. Ada sekitar 100 miliar neutrino dari matahari bergerak melalui jempol kita setiap sekon dan kita tidak dapat merasakannya karena partikel ini tidak berinteraksi atau berinteraksi dengan sangat lemah dengan materi. Neutrino pada prinsipnya tidak dapat dihancurkan. Tidak ada sesuatu pun yang terjadi pada neutrino-neutrino ini. Untuk setiap seratus miliar neutrino matahari yang mencapai bumi, hanya kira-kira ada satu neutrino yang berinteraksi dengan bahan-bahan yang ada di bumi. Karena interaksi yang sangat jarang inilah sehingga neutrino dapat dengan mudah meloloskan diri dari bagian dalam matahari tempat dimana mereka diciptakan dan bergerak ke segala arah membawa informasi langsung tentang reaksi fusi matahari kepada kita di bumi.

Ada tiga jenis neutrino yang kita ketahui. Proses fusi inti dalam matahari hanya menghasilkan neutrino yang disebut neutrino elektron. Dua jenis neutrino lainnya adalah neutrino muon, dan neutrino tau, masing-masing dapat dihasilkan pada akselerator dalam laboratorium atau pada peristiwa ledakan bintang-bintang, bersama-sama dengan beberapa partikel yang lebih berat dari elektron, yaitu partikel muon dan tau.

Neutrino Hilang! 


Ads by Google
Pada tahun 1964, Raymond Davis Jr. dan kawan-kawannya mengajukan sebuah rancangan eksperimen untuk menguji apakah konversi inti hidrogen menjadi inti helium pada matahari memang merupakan asal usul dari sinar yang dipancarkan oleh matahari. Mereka kemudian menghitung jumlah neutrino yang memiliki energi yang berbeda-beda yang dihasilkan oleh matahari dengan menggunakan sebuah program komputer yang dapat memodelkan matahari secara detail serta menghitung jumlah atom-atom radioaktif argon (37Ar) yang akan dihasilkan oleh neutrino matahari ini dalam sebuah tangki cairan fluida pembersih berbasis klorin yang besar (C2Cl4). Meskipun ide tersebut kedengaran agak “murah” bagi banyak ahli fisika, Raymond yakin bahwa dia dapat menentukan prediksi jumlah atom 37Ar per bulan dari sebuah tangki cairan pembersih dengan luas yang kurang lebih sama dengan luas kolam renang.

Hasil pertama dari eksperimen Ray diumumkan pada tahun 1968. Ray mendeteksi hanya sekitar sepertiga dari jumlah atom argon yang diprediksi. Perbedaan antara jumlah neutrino yang diprediksi dengan jumlah yang diukur oleh Ray ini kemudian menjadi terkenal dengan istilah “problem neutrino matahari”, atau dengan bahasa yang lebih populer seperti pada judul tulisan ini “misteri hilangnya neutrino”.

Bagaimana menjelaskan hilangnya neutrino tersebut? 

Ada tiga kemungkinan penjelasan yang diusulkan untuk memecahkan misteri ini. pertama, boleh jadi perhitungan teoritis yang dilakukan salah. Perhitungan ini bisa salah melalui dua cara. Pertama, terjadi kesalahan yang diakibatkan oleh perhitungan prediksi jumlah neutrino atau perhitungan laju produksi atom-atom argon yang salah. Kedua, boleh jadi eksperimen Raymond yang salah. Ketiga, barangkali fisikawan tidak memahami bagaimana perilaku neutrino saat bergerak melintasi jarak astronomis.

Dari ketiga kemungkinan tersebut, kemungkinan ketiga merupakan kemungkinan yang paling banyak didiskusikan oleh kalangan fisikawan pada masa tersebut. Untuk melacak apa yang salah terhadap hasil eksperimen tersebut, hasil perhitungan teoritis kemudian diperbaiki dan diperiksa secara berulang-ulang selama dua dekade berikutnya oleh sejumlah ahli yang berbeda-beda. Data yang digunakan dalam perhitungan tersebut diperbaiki sehingga hasil prediksinya menjadi lebih akurat. Namun, tidak terdapat kesalahan signifikan yang ditemukan dalam memodelkan matahari dengan menggunakan komputer demikian pula dalam perhitungan probabilitas penangkapan neutrino pada tangki Raymond.

Pada sisi yang lain, Raymond melakukan upaya untuk meningkatkan sensitivitas eksperimennya. Ray juga melakukan sejumlah uji coba yang bervariasi terhadap teknik eksperimennya untuk memastikan bahwa dia tidak berlebihan dalam mengamati keberadaan neutrino. Tidak ada kesalahan signifikan ditemukan dalam eksperimen tersebut. Perbedaan antara teori dan hasil pengamatan tetap muncul!

Bagaimana dengan kemungkinan ketiga? Yaitu kemungkinan adanya fisika baru?

Sejak tahun 1969, Bruno Pontecorvo dan Vladimir Gribov dari Soviet telah mengajukan penjelasan ketiga yang disebutkan di atas, yaitu, bahwa neutrino memiliki perilaku berbeda, tidak seperti yang diasumsikan oleh fisikawan. Namun demikian, sangat sedikit fisikawan yang menerima ide ini secara serius saat pertama kalinya diajukan, walaupun bukti-bukti tentang kebenaran ide ini semakin mendukung dari waktu ke waktu.

Pada tahun 1989, dua puluh satu tahun setelah eksperimen pertama dilakukan dan dimaklumatkan, sebuah grup peneliti kolaborasi Amerika-Jepang melaporkan hasil penelitiannya terhadap upaya untuk “memecahkan” masalah neutrino matahari. Grup eksperimen baru tersebut bernama Kamiokande (dipimpin oleh Masatoshi Koshiba dan Yoji Totsuka). Dalam eksperimen yang mereka lakukan, mereka menggunakan sebuah detektor besar berupa air murni untuk mengukur laju dimana elektron dalam air menghamburkan neutrino berenergi tinggi yang dipancarkan dari matahari. Detektor air ini sangat sensitif, tetapi hanya terhadap neutrino berenergi tinggi yang dihasilkan oleh sebuah reaksi nuklir yang langka (termasuk peluruhan ini 8B) dalam siklus produksi energi matahari. Eksperimen Raymond Davis yang dilakukan sebelumnya, yang menggunakan klorin memang merupakan eksperimen yang paling utama, tetapi tidak secara khusus sensitif terhadap neutrino berenergi tinggi.

Eksperimen Kamiokande mengonfirmasi bahwa jumlah neutrino yang terdeteksi lebih sedikit dibandingkan dengan jumlah yang diprediksi oleh model teoritis matahari juga berdasarkan jumlah yang dideskripsikan dalam buku teks tentang neutrino. Namun demikian, perbedaannya jumlah neutrino yang dideteksi oleh detektor air sedikit lebih kecil dibandingkan dengan perbedaan jumlah yang teramati dengan menggunakan detektor klorin Raymond Davis.

Pada dekade berikutnya, tiga eksperimen neutrino matahari justru semakin memperdalam misteri hilangnya neutrino. Eksperimen di Italia dan Rusia menggunakan detektor massif yang mengandung galium menunjukkan bahwa neutrino dengan energi yang lebih rendah juga kelihatannya menghilang. Eksperimen ini disebut GALLEX (dipimpin oleh Till Kirsten dari Heidelberg, Jerman) dan SAGE (dipimpin oleh Vladimir Gavrin dari Moskow, Rusia). Fakta bahwa GALLEX dan SAGE sensitif terhadap neutrino berenergi lebih rendah sangat penting karena dengan neutrino berenergi rendah ini fisikawan yakin dapat menghitung lebih akurat jumlah neutrino berenergi rendah dibandingkan dengan jumlah neutrino yang lebih tinggi.

Di samping itu, versi eksperimen yang lebih besar dari eksperimen Kamiokande, yang disebut eksperimen Super-Kamiokande (dipimpin oleh Totsuka dan Yochiro Suzuki), menyebabkan pengukuran neutrino dengan energi yang lebih tinggi menjadi lebih akurat dan dapat mengonfirmasi defisit sebenarnya dari jumlah neutrino berenergi tinggi yang ditemukan dalam klorin dan eksperimen kamiokande. Jadi, baik neutrino yang berenergi tinggi maupun neutrino yang berenergi rendah sama-sama menghilang, meskipun tidak dengan proporsi yang sama. Bukti-bukti yang diperoleh selama dekade ini menunjukkan bahwa sesuatu harus terjadi pada neutrino dalam perjalanannya dari bagian dalam matahari menuju detektor di bumi.

Pada tahun 1990, Hans Bethe bersama John N. Bahcall menunjukkan bahwa fisika neutrino yang baru, melebihi dari apa yang ada dalam buku teks fisika partikel standar, diperlukan untuk mendamaikan antara hasil eksperimen klorin Raymond Davis dengan eksperimen air berat kolaborasi Jepang-Amerika. Kesimpulan ini didasarkan pada analisis sensitivitas relatif klorin dan eksperimen air berat terhadap jumlah neutrino dan energi neutrino. Eksperimen neutrino matahari yang lebih baru di Italia dan Rusia mempersulit penjelasan data neutrino tanpa menggunakan fisika baru. Bukti-bukti baru juga menunjukkan bahwa prediksi model matahari adalah reliabel dan dapat dipercaya.

Pada tahun 1997, dilakukan pengukuran yang tepat tentang kelajuan suara melalui interior matahari dengan menggunakan fluktuasi periodik yang teramati dalam cahaya yang berasal dari permukaan matahari. Hasil kelajuan suara yang terukur cocok dengan kelajuan suara yang dihitung dengan menggunakan model teoritis matahari sampai pada ketelitian 0,1%. Hasil pengukuran ini mengusulkan pada astronom bahwa model teoritis matahari cukup akurat sehingga model tersebut harusnya juga dapat memprediksi secara akurat jumlah neutrino matahari.

Dekade terakhir pada abad ke-20 memberikan bukti yang kuat bahwa sebuah teori fisika fundamental yang lebih baik diperlukan untuk menyelesaikan misteri hilangnya neutrino. Namun demikian, kita masih perlu menemukan bukti yang tak terbantahkan.

Pemecahan Pada tanggal 18 Juni 2001, sebuah grup penelitian yang terdiri atas ilmuwan Kanada, Amerika, dan Inggris mengumumkan sesuatu yang dramatis bahwa mereka telah memecahkan misteri neutrino matahari. Kolaborasi internasional tersebut (dipimpin oleh Arthur McDonald dari Ontario, Kanada) melaporkan hasil neutrino matahari pertama yang diperoleh dengan menggunakan sebuah detektor air berat seberat 1000 ton (D2O). Detektor baru ini, terletak di sebuah pertambangan nikel di Sudbury, Ontario Kanada, mampu mempelajari neutrino energi tinggi dengan cara yang berbeda dengan apa yang telah dipelajari sebelumnya di Jepang dengan menggunakan detektor air biasa Kamiokande dan superkamiokande. Detektor Kanada ini disebut dengan SNO singkatan dari Solar Neutrino Observatory.

Pada eksperimen pertama mereka, kolaborasi SNO menggunakan detektor air berat dalam keadaan yang sensitif terhadap neutrino elektron. Ilmuwan SNO mengamati kira-kira sepertiga jumlah neutrino elektron yang diperkirakan tercipta dalam interior matahari berdasarkan model komputer matahari standar. Detektor Super-Kamiokande, yang paling sensitif terhadap neutrino elektron tetapi memiliki sensitivitas yang kurang terhadap neutrino jenis lainnya, mengamati sekitar setengah dari jumlah yang diharapkan. Jika model standar partikel benar, fraksi jumlah yang terukur oleh SNO dan fraksi yang terukur oleh Super-Kamiokande harusnya sama. Semua neutrino yang terdeteksi seharusnya merupakan neutrino elektron. Ternyata, fraksinya berbeda. Ini berarti buku teks standar tentang model partikel fisika salah.

Dengan menggabungkan hasil pengukuran SNO dan Super-Kamiokande, kolaborasi SNO menentukan total jumlah neutrino matahari untuk semua jenis neutrino (neutrino elektron, muon, dan tau) dan jumlah total neutrino jenis neutrino elektron saja. Jumlah total neutrino untuk semua jenis ternyata cocok dengan jumlah neutrino yang diprediksi oleh model komputer matahari. Neutrino elektron mengisi sekitar seperti tiga dari jumlah total neutrino ini.

Akhirnya fakta tak terbantahkan itu ditemukan juga. Fakta tersebut adalah perbedaan antara jumlah total neutrino dan jumlah neutrino jenis neutrino elektron saja. Neutrino yang hilang tersebut sebenarnya tetap ada, tetapi dalam bentuk yang lebih sulit dideteksi yaitu neutrino muon dan neutrino tau!

Hasil teramat penting ini, yang diumumkan pada bulan Juni 2001, kemudian diverifikasi oleh serangkaian eksperimen. Kolaborasi SNO melakukan pengukuran baru yang unik dimana jumlah total neutrino energi tinggi untuk semua jenis neutrino teramati dalam detektor air berat. Hasil dari pengukuran SNO ini saja sudah menunjukkan bahwa hampir semua neutrino yang dihasilkan pada bagian dalam matahari, semuanya merupakan neutrino elektron saat mereka tercipta, kemudian diubah menjadi neutrino muon dan neutrino tau pada saat dalam perjalanan menuju bagian luar matahari.

Kemana Neutrino yang hilang itu pergi? 


Neutrino tersebut sesungguhnya tidak hilang. Neutrino yang tidak terhitung sebelumnya berubah dari neutrino elektron menjadi neutrino tau dan neutrino muon yang lebih sulit untuk dideteksi. Neutrino muon dan neutrino tau tidak terdeteksi dalam eksperimen Raymond Davis yang menggunakan klorin, juga tidak terdeteksi oleh eksperimen galium di Rusia dan Italia, serta tidak pula terdeteksi oleh pengukuran yang dilakukan oleh SNO pertama kali. Kurangnya kepekaan terhadap neutrino muon dan neutrino tau adalah alasan sehingga eksperimen-eksperimen ini kelihatannya memberi petunjuk bahwa hampir semua neutrino matahari hilang. Di sisi lain, eksperimen air Kamiokande dan super-kamiokande di Jepang dan eksperimen air berat SNO yang belakangan memiliki sensitivitas terhadap neutrino muon dan neutrino tau di samping kepekaan utamanya terhadap neutrino elektron. Oleh karena itulah eksperimen Kamiokande, Super-Kamiokande dan SNO ini dapat mengungkap fraksi yang lebih besar dari neutrino matahari yang diperkirakan.

Jadi, neutrino tersebut tidaklah hilang. Keterbatasan manusialah yang menyebabkannya seolah-olah hilang. Tetapi dengan kelebihannya pulalah manusia akhirnya dapat mengungkapkan fakta yang sesungguhnya. Tetapi benarkah apa yang telah disimpulkan ini? sebatas hasil-hasil eksperimen sejauh ini, kelihatannya apa yang disimpulkan oleh fisikawan sudah benar. Tapi jangan lupa kebenaran tersebut hanyalah kebenaran eksperimental. Masih ada kebenaran yang lebih hakiki!

Catatan : Artikel di atas disadur dari artikel berjudul "Solving the Mystery of the Missing Neutrinos". Nobelprize.org. 26 May 2012 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/articles/bahcall/index.html
Misteri Hilangnya Neutrino Misteri Hilangnya Neutrino Reviewed by Momang Yusuf on 12/27/2014 09:45:00 AM Rating: 5

Tidak ada komentar:

Diberdayakan oleh Blogger.