Selama bertahun-tahun sekarang, tim peneliti internasional telah menyembunyikan diri mereka jauh di bawah gunung di Italia tengah, tanpa lelah mengumpulkan pengukuran paling sensitif dari meter kubik terdingin di alam semesta yang dikenal. Para ilmuwan sedang mencari bukti bahwa partikel hantu yang disebut neutrino tidak dapat dibedakan dari rekan antimateri mereka sendiri. Jika terbukti, penemuan itu dapat menyelesaikan teka-teki kosmik yang telah menjangkiti fisikawan selama beberapa dekade: Mengapa materi ada?
Mereka sudah lama tahu bahwa materi memiliki antimateri kembar yang dijuluki jahat. Untuk setiap partikel fundamental di alam semesta, terdapat antipartikel yang hampir identik dengan saudara kandungnya, dengan massa yang sama tetapi muatannya berlawanan. Ketika sebuah partikel dan antipartikel bertemu berhadapan, mereka memusnahkan satu sama lain, menciptakan energi murni.
"Kami memiliki simetri lengkap yang jelas tentang akuntansi antara materi dan antimateri," Thomas O'Donnell, seorang profesor fisika di Virginia Tech University, mengatakan kepada Live Science. "Setiap kali Anda membuat sepotong materi, Anda juga membuat antimateri yang seimbang, dan setiap kali Anda menghancurkan sepotong materi, Anda harus menghancurkan sepotong antimateri. Jika ini benar, Anda tidak akan pernah memiliki lebih dari satu jenis dari yang lainnya. "
Simetri ini bertentangan dengan pemahaman kita saat ini tentang bagaimana alam semesta dimulai. Menurut Teori Big Bang, ketika alam semesta mengembang dari singularitas yang sangat kecil sekitar 13,8 miliar tahun yang lalu, diyakini bahwa jumlah materi dan antimateri yang sama muncul. Namun, ketika para astronom melihat ke kosmos hari ini, alam semesta hampir seluruhnya terdiri dari materi dengan tidak ada kembaran jahatnya yang terlihat. Lebih meresahkan, jika Teori Big Bang benar, maka kita - ya, manusia - seharusnya tidak ada di sini hari ini.
"Jika materi dan antimateri sepenuhnya mematuhi simetri ini, maka ketika kosmos berevolusi, semua materi dan antimateri akan dimusnahkan menjadi foton dan tidak akan ada masalah tersisa bagi bintang, planet, atau bahkan sel manusia. Kita tidak akan ada!" Kata O'Donnell. "Pertanyaan besar kemudian adalah: 'Apakah skema akuntansi ini kadang-kadang rusak selama evolusi alam semesta?'"
Pertanyaan itu adalah apa yang ingin dijawab oleh O'Donnell dan rekan kolaborator lainnya. Selama dua tahun terakhir, tim mereka telah mengumpulkan dan menganalisis data dari percobaan CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) di Laboratorium Nasional Gran Sasso di Italia, mencari senjata merokok yang akan mengistirahatkan misteri kosmik ini.
Yang netral kecil
CUORE, yang berarti "jantung" dalam bahasa Italia, sedang mencari bukti bahwa partikel subatom yang sulit dipahami yang disebut neutrino adalah antipartikel mereka sendiri, yang oleh fisikawan disebut sebagai partikel Majorana. Neutrino, yang lulus seperti hantu melalui sebagian besar materi, sangat sulit dideteksi. Faktanya, menurut NASA, triliunan neutrino yang berasal dari tungku nuklir yang berapi-api dari matahari kita melewati tubuh kita setiap detik.
Eksperimen CUORE mencari tanda tangan Majorana neutrino yang saling memusnahkan dalam proses yang disebut peluruhan double-beta neutrinoless. Dalam peluruhan double-beta biasa, dua neutron di dalam inti atom secara bersamaan berubah menjadi dua proton, memancarkan sepasang elektron dan antineutrino. Peristiwa nuklir ini, meskipun sangat langka dan hanya terjadi sekali setiap 100 quintillion tahun (10 ^ 20) untuk atom individu, telah diamati dalam kehidupan nyata.
Namun, jika para peneliti benar dan neutrino adalah partikel Majorana yang benar (mereka adalah antipartikel mereka sendiri), maka dua antineutrino yang dibuat selama peluruhan dapat saling memusnahkan dan membuat peluruhan double-beta tanpa neutrinoless. Hasil? Hanya elektron, yang merupakan "materi biasa." Jika proses ini terbukti benar, mungkin bertanggung jawab untuk menyemai alam semesta awal dengan materi biasa. Namun, mengamati proses ini adalah cerita lain. Para ilmuwan memperkirakan pembusukan double-beta tanpa neutrinoless (jika ada sama sekali), dapat terjadi hanya sekali dalam setiap 10 septillion tahun (10 ^ 25).
"Moda tanpa neutrino adalah yang benar-benar ingin kita lihat, itu akan melanggar aturan, menciptakan materi tanpa antimateri," kata O'Donnell, yang merupakan anggota kolaborasi CUORE. "Itu akan menjadi petunjuk pertama untuk solusi nyata dari asimetri antimateri materi."
Detektor CUORE mencari tanda tangan energi, dalam bentuk panas, dari elektron yang dibuat selama peluruhan radioaktif atom tellurium. Pembusukan beta ganda yang netral akan meninggalkan puncak yang unik dan dapat dibedakan dalam spektrum energi elektron.
"Pada dasarnya CUORE adalah salah satu termometer paling sensitif di dunia," kata Carlo Bucci, koordinator teknis untuk kolaborasi CUORE, dalam sebuah pernyataan.
Dirakit lebih dari satu dekade, instrumen CUORE adalah meter kubik terdingin di alam semesta yang dikenal. Ini terdiri dari 988 kristal berbentuk kubus yang terbuat dari telurium dioksida, didinginkan hingga 10 mili-kelvin, atau minus 460 derajat Fahrenheit (minus 273 derajat Celcius), hanya rambut di atas suhu paling dingin yang dimungkinkan oleh fisika. Untuk melindungi percobaan dari gangguan oleh partikel luar seperti sinar kosmik, detektor terbungkus dalam lapisan tebal timah yang sangat murni yang dipulihkan dari bangkai kapal Romawi berusia 2.000 tahun.
Terlepas dari prestasi teknologi tim, menemukan acara yang tidak berbobot terbukti bukan tugas yang mudah. Para peneliti telah lebih dari empat kali lipat data yang dikumpulkan sejak hasil awal mereka pada tahun 2017, mewakili dataset terbesar yang pernah dikumpulkan oleh detektor partikel dari jenisnya. Hasil terbaru mereka, yang diterbitkan pada database preprint arXiv, menunjukkan bahwa mereka tidak menemukan bukti pembusukan double-beta neutrinoless.
Kolaborasi ini masih bertekad untuk memburu partikel agen ganda yang sulit dipahami ini. Hasil mereka telah menempatkan ikatan yang lebih erat pada massa yang diharapkan dari Majorana neutrino, yang mereka yakini setidaknya 5 juta kali lebih ringan daripada elektron. Tim memiliki rencana untuk meningkatkan CUORE setelah lima tahun pertama berjalan, memperkenalkan jenis kristal baru yang mereka harapkan akan sangat meningkatkan sensitivitasnya.
"Jika sejarah adalah prediktor yang baik untuk masa depan, maka kita dapat cukup yakin bahwa mendorong teknologi detektor akan memungkinkan kita untuk meneliti neutrino dengan kedalaman yang terus tumbuh," kata O'Donnell. "Mudah-mudahan, kita akan menemukan pembusukan double-beta tanpa neutrinoless, atau mungkin sesuatu yang lebih eksotis dan tak terduga."
