Neutrino adalah salah satu partikel fundamental yang membentuk Semesta. Dibandingkan dengan jenis partikel lain, mereka memiliki massa yang sangat kecil, tanpa muatan, dan hanya berinteraksi dengan yang lain melalui gaya nuklir dan gravitasi yang lemah. Dengan demikian, menemukan bukti interaksi ahli waris sangat sulit, membutuhkan instrumen besar yang terletak jauh di bawah tanah untuk melindungi mereka dari gangguan apa pun.
Namun, menggunakan Sumber Spallation Neutron (SNS), fasilitas penelitian yang berlokasi di Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - tim peneliti internasional baru-baru ini membuat penemuan bersejarah tentang neutrino menggunakan metode yang sama sekali berbeda. Sebagai bagian dari percobaan COHERENT, hasil ini mengkonfirmasi prediksi yang dibuat 43 tahun yang lalu dan menawarkan kemungkinan baru untuk penelitian neutrino.
Studi yang merinci temuan mereka, berjudul "Pengamatan hamburan neutrino-inti elastis yang koheren", baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Ilmu. Penelitian ini dilakukan sebagai bagian dari percobaan COHERENT, sebuah kolaborasi 80 peneliti dari 19 institusi dari lebih 4 negara yang telah mencari apa yang dikenal sebagai Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS) selama lebih dari setahun.
Dalam menemukan bukti perilaku ini, COHERENT pada dasarnya telah membuat sejarah. Seperti yang dikatakan Jason Newby, seorang ahli fisika ORNL dan koordinator teknis untuk COHERENT, dalam sebuah pernyataan pers ORNL:
"Eksperimen fisika partikel satu-satunya di Oak Ridge National Laboratory adalah yang pertama untuk mengukur hamburan yang koheren dari neutrino berenergi rendah dari inti."
Untuk memecah semuanya, Model Standar fisika partikel menunjukkan bahwa neutrino adalah lepton, partikel yang berinteraksi dengan materi lain dengan sangat lemah. Mereka diciptakan melalui peluruhan radioaktif, reaksi nuklir yang menggerakkan bintang, dan dari supernova. Model kosmologi Big Bang juga meramalkan bahwa neutrino adalah partikel paling berlimpah yang ada, karena mereka adalah produk sampingan dari penciptaan Alam Semesta.
Dengan demikian, penelitian mereka telah menjadi titik fokus utama bagi fisikawan teoretis dan kosmologis. Dalam penelitian sebelumnya, interaksi neutrino dideteksi dengan menggunakan ton material target dan kemudian memeriksa transformasi partikel yang dihasilkan dari neutrino yang mengenai mereka.
Contohnya termasuk Super-Kamiokande Observatory di Jepang, fasilitas bawah tanah di mana bahan targetnya adalah 50.000 ton air ultra murni. Dalam kasus Sudbury Neutrino Observatory SNOLAB - yang terletak di bekas kompleks tambang dekat Sudbury, Ontario - detektor SNO neutrino bergantung pada air berat untuk deteksi neutrino sementara percobaan SNO + akan menggunakan alat kilat cair.
Dan IceCube Neutrino Observatory - detektor neutrino terbesar di dunia, yang terletak di Stasiun Kutub Selatan Amundsen-Scott di Antartika - mengandalkan es Antartika untuk mendeteksi interaksi neutrino. Dalam semua kasus, fasilitas sangat terisolasi dan bergantung pada peralatan yang sangat mahal.
Namun, percobaan COHERENT jauh lebih kecil dan lebih ekonomis dari perbandingan, dengan berat hanya 14,5 kg (32 lbs) dan menempati jauh lebih sedikit di jalan ruang. Percobaan ini dibuat untuk mengambil keuntungan dari sistem berbasis akselerator SNS yang ada, yang menghasilkan berkas neutron berdenyut paling kuat di dunia untuk menghancurkan atom merkuri dengan sinar proton.
Proses ini menghasilkan sejumlah besar neutron yang digunakan untuk berbagai percobaan ilmiah. Namun, proses ini juga menciptakan sejumlah besar neutrino sebagai produk sampingan. Untuk mengambil keuntungan dari ini, tim COHERENT mulai mengembangkan percobaan neutrino yang dikenal sebagai "gang neutrino". Terletak di koridor bawah tanah hanya 20 meter (45 kaki) dari tangki merkuri, dinding beton tebal dan kerikil memberikan perisai alami.
Koridor juga dilengkapi dengan tangki air besar untuk memblokir neutrino tambahan, sinar kosmik dan partikel lainnya. Tetapi tidak seperti percobaan lain, detektor COHERENT mencari tanda-tanda neutrino yang menabrak inti atom lain. Untuk melakukan ini, tim melengkapi koridor dengan detektor yang bergantung pada kristal scintillator cesium iodide, yang juga menggunakan odium untuk meningkatkan keunggulan sinyal cahaya yang disebabkan oleh interaksi neutrino.
Juan Collar, seorang ahli fisika dari University of Chicago, memimpin tim desain yang menciptakan detektor yang digunakan di SNS. Saat dia menjelaskan, ini adalah pendekatan "back-to-basics" yang menghilangkan detektor yang lebih mahal dan masif:
“Mereka bisa dibilang jenis detektor radiasi paling pejalan kaki yang tersedia, telah ada selama seabad. Sodium-doped cesium iodide menggabungkan semua sifat yang diperlukan untuk bekerja sebagai detektor neutrino koheren ‘genggam’ kecil. Sangat sering, lebih sedikit lebih banyak. ”
Berkat eksperimen dan kecanggihan SNS mereka, para peneliti dapat menentukan bahwa neutrino mampu bergabung dengan quark melalui pertukaran bos Z netral. Proses ini, yang dikenal sebagai Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS), pertama kali diprediksi pada tahun 1973. Tetapi sampai sekarang, tidak ada tim eksperimen atau penelitian yang dapat mengonfirmasinya.
Seperti yang ditunjukkan Jason Newby, percobaan ini sebagian besar berhasil berkat kecanggihan fasilitas yang ada. "Energi SNS neutrino hampir disetel sempurna untuk percobaan ini — cukup besar untuk membuat sinyal yang dapat dideteksi, tetapi cukup kecil untuk memanfaatkan kondisi koherensi," katanya. "Satu-satunya senjata yang merokok dalam interaksi ini adalah sejumlah kecil energi yang diberikan pada satu nukleus."
Data yang dihasilkannya juga lebih bersih dibandingkan dengan eksperimen sebelumnya, karena neutrino (seperti balok neutron SNS yang menghasilkannya) juga berdenyut. Hal ini memungkinkan pemisahan sinyal dengan mudah dari sinyal latar belakang, yang menawarkan keunggulan dibandingkan sumber neutrino kondisi mapan - seperti yang dihasilkan oleh reaktor nuklir.
Tim juga mendeteksi tiga "rasa" neutrino, termasuk muon neutrino, muon antineutrino, dan neutrino elektron. Sedangkan muon neutrino muncul secara instan, yang lain terdeteksi beberapa mikrodetik kemudian. Dari ini, tim COHERENT tidak hanya memvalidasi teori CEvNS, tetapi juga Model Standar fisika partikel. Temuan mereka juga memiliki implikasi untuk astrofisika dan kosmologi.
Seperti yang dijelaskan Kate Scholberg, ahli fisika dari Duke University dan juru bicara COHERENT:
"Ketika sebuah bintang masif runtuh dan kemudian meledak, neutrino membuang energi besar ke dalam amplop bintang. Memahami proses ini dimasukkan ke dalam pemahaman tentang bagaimana peristiwa dramatis ini terjadi ... Data COHERENT akan membantu dengan interpretasi pengukuran sifat neutrino oleh eksperimen di seluruh dunia. Kami mungkin juga dapat menggunakan hamburan yang koheren untuk lebih memahami struktur inti. ”
Sementara tidak perlu untuk konfirmasi lebih lanjut dari hasil mereka, para peneliti COHERENT berencana untuk melakukan pengukuran tambahan untuk mengamati interaksi neutrino yang koheren pada tingkat yang berbeda (tanda tangan lain dari proses). Dari ini, mereka berharap untuk memperluas pengetahuan mereka tentang sifat CEvNS, serta sifat-sifat neutrino dasar lainnya - seperti magnetisme intrinsik mereka.
Penemuan ini tentu saja mengesankan dalam dirinya sendiri, mengingat bahwa ia memvalidasi aspek dari Model Standar fisika partikel dan kosmologi Big Bang. Tetapi kenyataan bahwa metode ini menawarkan hasil yang lebih bersih dan bergantung pada instrumen yang secara signifikan lebih kecil dan lebih murah daripada eksperimen lainnya - itu sangat mengesankan!
Implikasi dari penelitian ini pasti akan jauh jangkauannya, dan akan menarik untuk melihat apa penemuan lain yang memungkinkan di masa depan!
