Model Standar Fisika Partikel adalah salah satu prestasi sains yang paling mengesankan. Ini adalah upaya yang keras, tepat untuk memahami dan menggambarkan tiga dari empat kekuatan fundamental Alam Semesta: gaya elektromagnetik, gaya nuklir kuat, dan gaya nuklir lemah. Gravitasi tidak ada karena sejauh ini, memasukkannya ke dalam Model Standar telah sangat menantang.
Tetapi ada beberapa lubang dalam Model Standar, dan salah satunya melibatkan massa neutrino.
Keberadaan neutrino pertama kali diusulkan pada tahun 1930, kemudian terdeteksi pada tahun 1956. Sejak itu, fisikawan telah mengetahui ada tiga jenis neutrino, dan mereka berlimpah dan sulit dipahami. Hanya fasilitas khusus yang dapat mendeteksi mereka karena mereka jarang berinteraksi dengan masalah lain. Ada beberapa sumber untuk mereka, dan beberapa dari mereka telah menembus angkasa sejak Big Bang, tetapi sebagian besar neutrino di dekat Bumi berasal dari Matahari.
Model Standar memprediksi bahwa neutrino tidak memiliki massa, seperti foton. Tetapi fisikawan telah menemukan bahwa ketiga jenis neutrino dapat berubah menjadi satu sama lain ketika mereka bergerak. Menurut fisikawan, mereka hanya dapat melakukan itu jika mereka memiliki massa.
Tapi berapa massa? Itu pertanyaan yang telah membuntuti fisikawan partikel. Dan menjawab pertanyaan itu adalah bagian dari apa yang mendorong para ilmuwan di KATRIN (Eksperimen Karlsruhe Tritium Neutrino.)
"Temuan ini oleh kolaborasi KATRIN mengurangi rentang massa sebelumnya untuk neutrino dengan faktor dua ..."
HAMISH ROBERTSON, ILMU KATRIN DAN PROFESOR EMERITUS FISIKA DI UNIVERSITAS WASHINGTON.
Sebuah tim peneliti telah memberikan jawaban atas hal itu: massa neutrino tidak boleh lebih besar dari 1,1 elektron volt (eV). Ini adalah pengurangan batas atas massa neutrino hingga hampir 1 eV; dari 2 eV ke 1.1 eV. Dengan membangun eksperimen sebelumnya yang menetapkan batas massa lebih rendah pada 0,02 eV, para peneliti ini telah menetapkan rentang baru untuk massa neutrino. Ini menunjukkan bahwa neutrino memiliki kurang dari 1 / 500.000 massa elektron. Ini merupakan langkah penting dalam pengembangan Model Standar.
"Mengetahui massa neutrino akan memungkinkan para ilmuwan untuk menjawab pertanyaan mendasar dalam kosmologi, astrofisika dan fisika partikel ..."
Hamish Robertson, ilmuwan KATRIN dan profesor emeritus fisika di Universitas Washington.
Para peneliti di balik karya ini berasal dari 20 lembaga penelitian berbeda di seluruh dunia. Mereka bekerja dengan KATRIN di Institut Teknologi Karlsruhe di Jerman. Fasilitas KATRIN memiliki spektrometer resolusi tinggi 10 meter yang memungkinkannya mengukur energi elektron dengan presisi tinggi.
Tim KATRIN mempresentasikan hasil mereka di Topik 2019 di Astropartikel dan konferensi Fisika Bawah Tanah di Toyama, Jepang, pada 13 September.
"Mengetahui massa neutrino akan memungkinkan para ilmuwan untuk menjawab pertanyaan mendasar dalam kosmologi, astrofisika dan fisika partikel, seperti bagaimana alam semesta berevolusi atau fisika apa yang ada di luar Model Standar," kata Hamish Robertson, seorang ilmuwan KATRIN dan profesor emeritus fisika. di Universitas Washington. "Temuan ini oleh kolaborasi KATRIN mengurangi rentang massa sebelumnya untuk neutrino dengan faktor dua, menempatkan kriteria yang lebih ketat pada apa sebenarnya massa neutrino, dan memberikan jalan ke depan untuk mengukur nilainya secara definitif."
Neutrino terkenal sulit dideteksi, meskipun jumlahnya berlimpah. Hanya foton yang lebih banyak. Seperti namanya, mereka netral secara listrik. Ini membuat mendeteksi mereka sangat sulit. Ada beberapa observatorium neutrino yang tenggelam jauh di es Antartika, dan juga di tambang-tambang yang ditinggalkan. Mereka sering menggunakan air berat untuk membujuk neutrino untuk berinteraksi. Ketika neutrino berinteraksi, ia menghasilkan radiasi Cherenkov yang dapat diukur.
"Jika Anda mengisi tata surya dengan timah ke lima puluh kali di luar orbit Pluto, sekitar setengah dari neutrino yang dipancarkan matahari masih akan meninggalkan tata surya tanpa berinteraksi dengan timah itu," kata Robertson.
Sejarah neutrino telah berkembang dari waktu ke waktu dengan eksperimen seperti KATRIN. Awalnya, Model Standar memperkirakan neutrino tidak akan memiliki massa. Tetapi pada tahun 2001, dua detektor berbeda menunjukkan bahwa massa mereka tidak nol. Hadiah Nobel Fisika 2015 dianugerahkan kepada dua ilmuwan yang menunjukkan bahwa neutrino dapat berosilasi di antara berbagai jenis, menunjukkan bahwa mereka memiliki massa.
Fasilitas KATRIN mengukur massa neutrino secara tidak langsung. Ia bekerja dengan memantau peluruhan tritium, yang merupakan bentuk hidrogen yang sangat radioaktif. Ketika tritium isotop meluruh, ia memancarkan pasangan partikel: elektron dan anti-neutrino. Bersama-sama, mereka berbagi energi 18.560 eV.
Dalam kebanyakan kasus, pasangan partikel berbagi 18.560 eV secara merata. Tetapi dalam kasus yang jarang terjadi, elektron memonopoli sebagian besar energi, meninggalkan neutrino dengan sangat sedikit. Contoh langka inilah yang menjadi fokus para ilmuwan.
Karena E = mC2, jumlah kecil energi yang tersisa untuk neutrino dalam kasus langka ini juga harus sama dengan massanya. Karena KATRIN memiliki kekuatan untuk mengukur elektron secara akurat, ia juga dapat menentukan massa neutrino.
"Memecahkan massa neutrino akan membawa kita ke dunia baru yang berani dalam menciptakan Model Standar baru," kata Peter Doe, seorang profesor penelitian fisika dari University of Washington yang bekerja di KATRIN.
Model Standar baru yang disebutkan Doe ini memiliki potensi untuk memperhitungkan materi gelap, yang merupakan sebagian besar materi di Semesta. Upaya seperti KATRIN suatu hari nanti dapat mendeteksi jenis neutrino keempat, yang disebut neutrino steril. Sejauh ini tipe keempat ini hanya dugaan, tetapi merupakan kandidat untuk materi gelap.
"Neutrino adalah partikel kecil yang aneh," kata Doe. "Mereka ada di mana-mana, dan ada banyak hal yang dapat kita pelajari setelah kita menentukan nilai ini."
Menunjukkan bahwa neutrino memiliki massa, dan membatasi kisaran massa itu, keduanya penting. Tetapi fisikawan partikel masih belum tahu bagaimana mereka mendapatkan massa mereka. Ini mungkin berbeda dari bagaimana partikel lain memperolehnya.
Hasil seperti ini dari KATRIN membantu menutup lubang di Model Standar, dan dalam pemahaman kita secara keseluruhan tentang Semesta. Semesta penuh dengan neutrino kuno dari Big Bang, dan setiap kemajuan dalam massa neutrino membantu kita memahami bagaimana Alam Semesta terbentuk dan berevolusi.
Lebih:
- Siaran Pers: KATRIN memangkas estimasi massa untuk neutrino yang sulit dipahami menjadi dua
- Institut Teknologi Karlsruhe: KATRIN
- CERN: Model Standar
- Majalah Simetri: Lima Misteri Model Standar Tidak Dapat Dijelaskan
- Berita MIT: 3Q: Para ilmuwan mencukur estimasi massa neutrino menjadi dua
