Nobel Fisika 2015: Neutrino yang Bermetamorfosis



Sedikit demi sedikit teka teki tentang si partikel hantu “neutrino” mulai terungkap dan membuka fakta baru dalam fisika partikel. Tahun 2015 ini, nobel fisika dianugerahkan kepada seorang fisikawan Jepang, Takaaki Kajita dan seorang fisikawan dari Kanada, Arthur B. McDonald, keduanya adalah ilmuwan kunci di dua kelompok penelitian besar, Super-Kamiokande di Jepang dan Sudbury Neutrino Observatory, yang telah menemukan bahwa dalam perjalanannya menuju bumi, neutrino ternyata mengalami metamorfosis (berubah identitas menjadi neutrino bentuk lain).

tiga jenis neutrino yang dapat saling bermetamorfosis satu sama lain
Perburuan neutrino telah dimulai jauh di kedalaman bumi di tengah-tengah fasilitas berupa ribuan mata buatan yang menunggu saat yang tepat untuk menyingkap rahasia tentang neutrino. Pada tahun 1998, Takaaki Kajita menyampaikan temuan bahwa neutrino nampaknya mengalami metamorfosa. Neutrino bertukar identitas ketika masih dalam perjalanan menuju detektor Super-Kamiokande di Jepang. Neutrino yang tertangkap di detektor tersebut tercipta melalui reaksi antara sinar-sinar kosmik dan atmosfer bumi.

Di sisi lain belahan bumi, para ilmuwan di Sudbury Neutrino Observatory di Kanada, SNO, sedang meneliti neutrino yang berasal dari matahari. Pada tahun 2001, kelompok penelitian yang dipimpin oleh Arthur B. McDonald membuktikan persis seperti yang ditemukan di Super-Kamiokande, bahwa neutrino mengalami perubahan identitas.

Perubahan neutrino ini merupakan sebuah gejala yang baru teramati, dan disebut dengan osilasi neutrino. Kesimpulan yang sejauh ini diperoleh dari berbagai eksperimen mengenai gejala ini adalah bahwa neutrino, yang selama sekian waktu dianggap tidak bermassa, haruslah memiliki massa untuk memungkinkan terjadinya metamorfosa tersebut. Ini merupakan salah satu “batu fondasi pertama” bagi fisika partikel untuk dapat memahami alam semesta ini.

Si pahlawan yang jumlahnya melimpah


Kita hidup di dunia neutrino. Triliunan neutrino mengalir melewati tubuh-tubuh kita setiap detiknya. Hanya saja kita tidak dapat menginderanya, tak dapat melihat ataupun merasakannya. Neutrino berkelebat dengan cepat dalam ruang dengan kecepatan yang hampir sama dengan kelajuan cahaya sehingga sulit berinteraksi dengan materi.

Dari mana mereka berasal?


Beberapa di antaranya tercipta pada saat peristiwa Big Bang, sebagian tercipta secara teratur melalui pelbagai proses dalam ruang di bumi –dari peristiwa ledakan supernova, kematian bintang-bintang massif, hingga pada reaksi penumbuhan daya inti dan yang terjadi secara alami melalui peluruhan radioaktif. Bahkan bagian dalam tubuh kita secara rata-rata menghasilkan 5000 neutrino setiap detik jika sebuah isotop potasium meluruh. Umumnya neutrino-neutrino yang mencapai bumi merupakan neutrino yang berasal dari reaksi inti di bagian dalam matahari. Menempati urutan kedua setelah partikel cahaya, foton, neutrino merupakan partikel yang paling melimpah jumlahnya di jagat raya ini.

Ads by Google
Selama ini, kehadiran neutrino ini bahkan tidak pasti. Keberadaan partikel ini pertama kali dikemukakan oleh Wolfgang Pauli, sebagai upaya di ambang keputusasaannya untuk menjelaskan tentang kekekalan energi dalam peluruhan beta, salah satu jenis peluruhan radioaktif dalam inti atomik. Pada bulan Desember 1930, Pauli menulis sebuah surat ke sejawatnya yang disebutnya sebagai Tuan dan Nyonya Radioaktif. Dalam surat itu, Pauli menyarankan bahwa sejumlah energi dalam peluruhan radioaktif dibawa oleh sebuah partikel yang sangat ringan, berinteraksi sangat lemah, dan secara listrik bermuatan netral. Pauli sendiri sulit memercayai keberadaan partikel ini. Bahkan, Pauli mengatakan, “Saya telah melakukan sesuatu yang sangat buruk, saya telah mempostulatkan sebuah partikel yang tidak dapat dideteksi”.

Beberapa waktu kemudian, Enrico Fermi, berhasil mendemonstrasikan sebuah teori yang elegan yang mencakup sebuah partikel netral, sangat ringan ala Pauli. Partikel itu kemudian disebut neutrino. Tak seorang pun yang dapat memprediksi bahwa partikel kecil ini akan merevolusi baik fisika partikel maupun kosmologi.

Dibutuhkan waktu sekitar seperempat abad untuk dapat menemukan neutrino. Kesempatan itu datang di sekitar tahun 1950-an, ketika neutrino mulai mengalir dalam jumlah yang sangat banyak dari penumbuhan daya inti yang dibangun belakangan. Pada bulan Juli 1956, dua orang fisikawan Amerika, Frederick Reines dan Clyde Cowan mengirimkan sebuah telegram kepada Wolfgang Pauli yang mengabarkan bahwa neutrino-neutrino itu telah meninggalkan jejak di detektor mereka. Temuan tersebut menunjukkan bahwa hantu neutrino adalah sesuatu yang benar-benar nyata.

Trio yang Aneh


Nobel fisika tahun 2015 ini dianugerahkan terhadap penemuan yang memecahkan sebuah teka-teki tentang neutrino itu sendiri selama ini. Sejak tahun 1960an, secara teoritis fisikawan telah menghitung jumlah neutrino yang tercipta dalam reaksi inti pada proses yang menghasilkan cahaya matahari. Tetapi ketika pengukuran dilakukan di bumi, ternyata lebih dari 2/3 jumlah hasil hitungan tersebut menghilang.

Kemana neutrino-neutrino itu?


Apakah mungkin ada yang salah dengan perhitungan teoritis tersebut? Salah satu jawaban terhadap teka teki neutrino solar ini adalah neutrino mengalami pertukaran identitas. Menurut Model Standar fisika partikel ada tiga jenis neutrino, trio neutrino. Mereka adalah neutrino elektron, neutrino muon, dan neutrino tau. Tiap-tiap neutrino ini memiliki pasangan muatan masing-masing, elektron, dan dua muatan yang relatif lebih berat dan berusia singkat, yaitu muon dan tau.

Matahari hanya menghasilkan neutrino elektron. Tetapi jika mereka dapat bertransformasi menjadi neutrino muon atau neutrino tau dalam perjalanan menuju bumi, maka hal itu akan menyebabkan terjadinya kehilangan neutrino elektron dapat dipahami.

Perburuan neutrino bawah tanah


Spekulasi tentang perubahan identitas neutrino tetap menjadi spekulasi sampai sejumlah fasilitas yang lebih canggih dan lebih besar dilibatkan dalam perburuan neutrino. Siang malam neutrino diburu dengan menggunakan detektor dalam jumlah yang banyak yang ditempatkan jauh di kedalaman bumi, dengan maksud menghindari adanya derau dari radiasi kosmik yang berasal dari ruang serta dari peluruhan radioaktif spontan di sekitar. Ya, memang adalah hal yang sulit untuk memisahkan sejumlah sinyal neutrino yang sebenarnya dengan triliunan sinyal-sinyal palsu yang bukan berasal dari neutrino.

Tahun 1996, Super-Kamiokande dioperasikan dalam sebuah tambang seng 250 kilometer Barat Daya Tokyo, sedangkan Sudbury Neutrino Observatory, yang dibangun dalam sebuah tambang nikel di Ontario, mulai beroperasi pada tahun 1999. Secara bersama-sama, kedua laboratorium ini dapat menyingkap perilaku neutrino yang seperti bunglon, berubah-ubah wujud, penemuan yang diberi anugerah nobel pada tahun 2015 ini.

skema laboratorium neutrino Super-Kamiokande Jepang


Super-Kamiokande merupakan detektor raksasa yang dibangun 1000 meter di bawah permukaan bumi. Detektor ini terdiri atas sebuah tangki dengan tinggi dan lebar sebesar 40 m yang kemudian di isi dengan 50.000 ton air. Air ini sangat murni sehingga berkas cahaya dapat melewatinya sejauh 70 meter sebelum intensitasnya menjadi setengah dari nilai awalnya. Jika dibandingkan dengan air yang berada di kolam renang, cahaya hanya dapat menempuh beberapa meter sebelum intensitasnya tersisa separuhnya. Lebih dari 11000 detektor cahaya ditempatkan di bagian atas, samping, dan bagian bawah tangki dengan tugas untuk menemukan, memperkuat dan mengukur kelipan cahaya yang sangat lemah dalam air berkemurnian sangat tinggi.

Hampir semua neutrino masuk dan lewat di dalam tangki, tetapi kadang-kadang, sebuah neutrino bertumbukan dengan inti atomik atau sebuah elektron dalam air. Dalam peristiwa tumbukan ini partikel-partikel bermuatan terbentuk –muon terbentuk dari neutrino muon, dan elektron dari neutrino elektron. Di sekitar partikel-partikel bermuatan tersebut, kerlipan lemah sinar biru terbentuk. Kerlip cahaya ini disebut sinar Cherenkov, yang timbul jika sebuah partikel bergerak melebihi kelajuan cahaya. Hal ini tidak bertentangan dengan teori Relativitas Einstein yang mengatakan bahwa tidak ada yang bergerak lebih cepat dari cahaya dalam ruang vakum. Dalam air, cahaya diperlambat hingga nilainya 75% dari kelajuan maksimumnya, dan dapat “dikalahkan” oleh partikel bermuatan. Bentuk dan intensitas cahaya Cherenkov akan mengungkap jenis neutrino apa yang menjadi penyebabnya, dan dari mana asalnya.

Sebuah penyelesaian teka-teki


Selama dua tahun pertama operasinya, Super-Kamiokande memproses sekitar 5000 sinyal neutrino. Jumlah ini sangat banyak dibandingkan dengan eksperimen sebelumnya, tetapi masih sedikit dibandingkan dengan apa yang diharapkan berdasarkan penaksiran fisikawan mengenai jumlah neutrino yang dihasilkan oleh radiasi kosmik. Partikel radiasi kosmik berasal dari segala arah dalam ruang dan pada saat partikel-partikel berkelajuan penuh tersebut bertumbukan dengan dengan molekul-molekul pada atmosfer bumi, guyuran neutrino pun tercipta.

Super-Kamiokande menangkap neutrino muon yang datang dari atmosfer di atasnya, termasuk yang menumbuk detektor dari arah bawah setelah melintasi bola bumi secara penuh. Seharusnya terdapat jumlah neutrino yang sama dari kedua arah tersebut; bumi tidak mengandung bahan-bahan yang dapat merintangi partikel-partikel tersebut. Namun demikian, neutrino muon yang langsung bergerak ke bawah menumbuk detektor Super-Kamiokande jumlahnya jauh lebih banyak dibandingkan dengan neutrino muon yang bergerak melalui bola bumi.

Hal ini mengindikasikan bahwa neutrino muon yang bergerak lebih lama memiliki waktu untuk melakukan pertukaran identitas, yang tidak tidak terjadi pada neutrino muon yang bergerak langsung ke bawah dari arah atas dan hanya menempuh beberapa puluh kilometer saja. Jika jumlah neutrino elektron yang berasal dari arah-arah yang berlawanan sesuai dengan yang diharapkan, neutrino muon pasti telah berubah menjadi neutrino jenis ketiga yaitu neutrino tau. Namun demikian, hal ini tidak dapat terdeteksi di detektor Super-Kamiokande.

Keping teka-teki yang menentukan ini ada di Sudbury Neutrino Observatory (SNO) ketika kelompok ilmuwan di tempat tersebut melakukan pengukuran neutrino yang berasal dari matahari dan terdeteksi di bumi. Proses inti di matahari hanya menghasilkan neutrino elektron. Dua kilometer di bawah permukaan bumi neutrino elektron yang melimpah terdeteksi oleh 9500 detektor cahaya dalam sebuah tangki yang berisi 1000 ton air berat. Air berat ini berbeda dengan air yang biasa karena pada tiap-tiap atom hidrogen dalam molekul air ini memiliki sebuah neutron tambahan dalam intinya, sehingga membentuk isotop hidrogen deuterium.

Inti deuterium memberikan peluang tambahan kepada neutrino untuk bertumbukan dengan detektor. Pada beberapa reaksi hanya jumlah neutrino elektron yang dapat ditentukan, sementara yang lainnya memberi jalan kepada ilmuwan untuk mengukur ketiga jenis neutrino tersebut secara bersamaan, tanpa membedakan jenis-jenis neutrino tersebut satu sama lain.

Karena hanya neutrino elektron dari matahari yang dianggap sampai di bumi, maka kedua cara pengukuran neutrino tersebut di atas seharusnya memberikan hasil yang sama. Dengan demikian, jika neutrino elektron yang terdeteksi lebih sedikit jumlahnya dibandingkan dengan jumlah ketiga jenis neutrino, hal ini mengindikasikan bahwa sesuatu telah terjadi terhadap neutrino elektron ketika mereka dalam perjalanan panjang 150 juta kilometer dari matahari.

Dari 60 miliar neutrino per sentimeter persegi per sekon yang mencapai bumi dalam sekali perjalanan dari matahari ke bumi, Sudbury Neutrino Observatory hanya menangkap tiga neutrino per hari selama dua tahun pertama operasi observatorium tersebut. Jumlah ini bersesuaian dengan sepertiga jumlah neutrino elektron yang diharapkan dapat tertangkap oleh detektor. Dua per tiganya hilang! Namun demikian, jika kita menjumlahkan banyaknya ketiga jenis neutrino tersebut, hasil yang diperoleh akan sesuai dengan jumlah neutrino yang diharapkan. Kesimpulan yang mungkin dari hasil ini adalah bahwa neutrino elektron pastilah telah berubah identitas selama dalam perjalanannya.

Metamorfosis dalam dunia kuantum


Kedua eksperimen tersebut telah membenarkan kecurigaan bahwa neutrino dapat berubah identitas menjadi neutrino lainnya. Penemuan ini telah memacu eksperimen baru lainnya dan memaksa fisikawan partikel untuk berpikir dengan cara berpikir yang baru.

Secara bersama-sama, kedua eksperimen ini telah memberikan sebuah kesimpulan mendasar: metamorfosa neutrino menyaratkan bahwa neutrino tersebut harus memiliki massa. Jika tidak demikian, maka metamorfosa tidak mungkin terjadi.

Lalu, bagaimana metamorfosa ini bisa terjadi?


Fisika kuantum dibutuhkan untuk menjelaskan hal ini. Dalam dunia kuantum, partikel dan gelombang adalah aspek berbeda dari keadaan fisis yang sama. Sebuah partikel dengan energi tertentu digambarkan dengan sebuah gelombang yang sesuai dengan frekuensi tertentu. Dalam fisika kuantum, neutrino elektron, neutrino muon, dan neutrino tau dinyatakan oleh gelombang-gelombang yang bersuperposisi yang bersesuaian dengan keadaan neutrino dengan massa yang berbeda-beda.

Ketika gelombang-gelombang tersebut sefase, maka tidak mungkin untuk membedakan keadaan neutrino yang berbeda satu sama lain. Tetapi manakala neutrino telah bergerak dalam ruang, maka gelombangnya akan menjadi tidak sefase. Sepanjang perjalanannya gelombang-gelombang itu bersuperposisi dengan berbagai cara. Superposisi pada sebuah tempat tertentu akan menghasilkan probabilitas jenis neutrino apa yang paling mungkin untuk ditemukan di tempat tersebut. Probabilitas ini berubah-ubah dari satu lokasi ke lokasi lain, mereka berosilasi, dan neutrino tampak dalam berbagai identitasnya.

Perilaku yang ganjil ini adalah akibat dari perbedaan massa neutrino. Eksperimen mengindikasikan bahwa perbedaan massa ini sangat kecil. Massa neutrino memang diperkirakan sangat kecil, meskipun belum pernah diukur secara langsung. Namun demikian, karena neutrino ada dalam jumlah yang luar biasa melimpah di semesta ini, jumlah dari massa-massa kecil ini menjadi cukup signifikan. Berat gabungan neutrino-neutrino ini secara kasar diperkirakan sama dengan massa semua bintang yang tampak di alam semesta ini.

Gerbang ke fisika baru


Penemuan massa neutrino adalah semacam “peletakan batu pertama” untuk membangun fisika partikel. Model Standar bagian paling dalam dari materi telah berhasil dengan baik dan selama dua puluh tahun telah menghadapi semua tantangan-tantangan eksperimental. Tetapi model standar ternyata mensyaratkan bahwa neutrino tidak bermassa. Dengan demikian, eksperimen peraih nobel fisika 2015 ini telah menyingkap sebuah retakan pada model standar. Telah menjadi jelas bahwa Model Standar tidak dapat merupakan teori yang komplit tentang bagaimana konstituen mendasar alam semesta berfungsi.

Sejumlah pertanyaan kunci tentang dunia neutrino perlu dijawab oleh teori-teori baru melebihi Model Standar untuk dapat dikembangkan secara penuh. Berapakah massa neutrino? Mengapa neutrino sangat ringan? Apakah ada jenis neutrino lainnya selain dari ketiga jenis yang telah dikenal selama ini? Apakah neutrino adalah antipartikel mereka sendiri? Mengapa neutrino sangat berbeda dibandingkan dengan partikel elementer lainnya?

Penemuan yang meraih penghargaan nobel fisika tahun 2015 ini telah memberikan pandangan yang krusial pada dunia neutrino yang hampir-hampir merupakan daerah yang tersembunyi. Eksperimen-eksperimen lainnya masih sedang berlangsung intensif di bawah tanah di pelbagai belahan dunia untuk terus menangkap neutrino dan memeriksa sifat dan karakteristiknya secara lebih rinci. Penemuan baru tentang rahasia terdalam neutrino diharapkan akan mengubah pemahaman kita tentang sejarah, struktur, dan takdir masa depan alam semesta ini.

Ilmu Allah masih sangat luas. Celupkanlah jarimu di lautan, air yang ikut di jarimu adalah ilmu manusia, dan sisanya, lautan yang maha luas itu adalah ilmu Allah.

Selamat kepada penerima anugerah Nobel fisika 2015!


sumber: Laman the Royal Swedish Academy of Sciences, http://kva.se
Nobel Fisika 2015: Neutrino yang Bermetamorfosis Nobel Fisika 2015: Neutrino yang Bermetamorfosis Reviewed by Momang Yusuf on 10/07/2015 08:41:00 AM Rating: 5

4 komentar:

  1. Balasan
    1. Silakan dicopas... Sumber aslinya seperti di akhir artikel di atas. terimkasih

      Hapus
  2. Silakan Nuralfin Anripa, dan terimakasih kunjungannya...

    BalasHapus

Diberdayakan oleh Blogger.