Fasilitas permukaan untuk eksperimen IceCube, yang terletak di bawah 1,6 km es di Antartika. IceCube menunjukkan neutrino hantu tidak ada, tetapi sebuah eksperimen baru mengatakan mereka melakukannya.
(Gambar: © Courtesy of IceCube Neutrino Observatory)
Di gurun es Antartika, terdapat detektor partikel besar, IceCube Neutrino Observatory. Tetapi mencari permukaan untuk instrumen akan terbukti sulit, karena sebagian besar observatorium terperangkap di bawah es. Observatorium internasional telah memburu neutrino - partikel tanpa massa dan tanpa muatan yang hampir tidak pernah berinteraksi dengan materi. Sekarang, pengamatannya dapat memecahkan salah satu misteri terbesar dalam astronomi, menjawab pertanyaan di balik asal-usul neutrino dan sinar kosmik.
Yang terbesar dari semuanya
Observatorium IceCube Neutrino mencakup satu kilometer kubik dekat Kutub Selatan. Instrumen ini mencakup permukaan kilometer persegi dan memanjang hingga kedalaman 4.920 kaki (1.500 meter). Ini adalah detektor neutrino gigaton pertama yang pernah dibuat.
Sementara foto-foto IceCube sering menunjukkan sebuah bangunan duduk di permukaan bersalju, pekerjaan nyata dilakukan di bawah ini. Eksperimen multiguna meliputi larik permukaan, IceTop, larik 81 stasiun yang duduk di atas senar. IceTop berfungsi sebagai detektor kalibrasi untuk IceCube, serta mendeteksi pancuran udara dari sinar kosmik primer, serta fluks dan komposisinya.
Subtektor bagian dalam yang padat, DeepCore, adalah pusat dari percobaan IceCube. Masing-masing stasiun IceTop terdiri dari string yang terpasang pada modul optik digital (DOM) yang digunakan pada grid heksagonal yang berjarak 410 kaki (125 meter). Setiap string memiliki 60 DOM seukuran bola basket. Di sini, jauh di dalam es, IceCube mampu berburu neutrino yang berasal dari matahari, dari dalam Bimasakti, dan dari luar galaksi. Partikel-partikel hantu ini terhubung dengan sinar kosmik, partikel energi tertinggi yang pernah diamati.
[Terkait: Menelusuri Neutrino ke Sumbernya: Penemuan dalam Gambar]
Partikel misterius
Sinar kosmik pertama kali ditemukan pada tahun 1912. Semburan radiasi yang kuat bertabrakan dengan Bumi secara konstan, mengalir dari semua bagian galaksi. Para ilmuwan menghitung bahwa partikel bermuatan harus terbentuk di beberapa objek dan peristiwa paling kejam dan paling tidak dipahami di alam semesta. Kematian bintang yang meledak dari sebuah bintang, sebuah supernova, memberikan satu metode untuk menciptakan sinar kosmik; lubang hitam aktif di pusat galaksi lain.
Karena sinar kosmik terdiri dari partikel bermuatan, mereka berinteraksi dengan medan magnet bintang dan benda lain yang dilewatinya. Ladang membengkokkan dan menggeser jalur sinar kosmik, sehingga mustahil bagi para ilmuwan untuk melacaknya kembali ke sumbernya.
Di situlah neutrino berperan. Seperti sinar kosmik, partikel bermassa rendah diperkirakan terbentuk melalui kekerasan. Tetapi karena neutrino tidak memiliki muatan, mereka melewati medan magnet tanpa mengubah jalurnya, berjalan dalam garis lurus dari sumbernya.
"Karena alasan ini, pencarian sumber sinar kosmik juga menjadi pencarian neutrino berenergi sangat tinggi," menurut situs web IceCube.
Namun, karakteristik yang sama yang membuat neutrino pembawa pesan yang baik juga berarti mereka sulit dideteksi. Setiap detik, sekitar 100 miliar neutrino melewati satu inci persegi tubuh Anda. Sebagian besar dari mereka berasal dari matahari, dan tidak cukup energik untuk diidentifikasi oleh IceCube, tetapi beberapa kemungkinan telah diproduksi di luar Bima Sakti.
Bercak neutrino membutuhkan penggunaan bahan yang sangat jernih seperti air atau es. Ketika satu neutrino menabrak proton atau neutron di dalam atom, reaksi nuklir yang dihasilkan menghasilkan partikel sekunder yang mengeluarkan cahaya biru yang dikenal sebagai radiasi Cherenkov.
"Neutrino yang kami deteksi seperti sidik jari yang membantu kami memahami objek dan fenomena di mana neutrino diproduksi," menurut tim IceCube.
Kondisi yang sulit
Kutub Selatan mungkin bukan ruang angkasa, tetapi ia membawa tantangannya sendiri. Para insinyur memulai konstruksi di IceCube pada tahun 2004, sebuah proyek tujuh tahun yang selesai sesuai jadwal pada tahun 2010. Konstruksi hanya dapat berlangsung selama beberapa bulan setiap tahun, selama musim panas belahan bumi selatan, yang terjadi dari bulan November hingga Februari.
Membosankan 86 lubang membutuhkan jenis bor khusus - dua di antaranya, sebenarnya. Yang pertama maju melalui firn, lapisan salju yang dipadatkan, hingga sekitar 50 meter. Kemudian bor air panas bertekanan tinggi meleleh melalui es dengan kecepatan sekitar 2 meter (6,5 kaki) per menit, turun ke kedalaman 2.450 meter (8.038 kaki, atau 1,5 mil).
"Bersama-sama, dua latihan mampu secara konsisten menghasilkan lubang vertikal yang hampir sempurna siap untuk penyebaran instrumentasi pada tingkat satu lubang setiap dua hari," menurut IceCube.
Tali kemudian harus dengan cepat dikerahkan ke dalam air yang meleleh sebelum es membeku. Pembekuan butuh beberapa minggu untuk stabil, setelah itu instrumen tetap tidak tersentuh, beku secara permanen di dalam es dan tidak dapat diperbaiki. Tingkat kegagalan instrumen sangat lambat, dengan kurang dari 100 dari 5.500 sensor saat ini tidak beroperasi.
IceCube mulai melakukan pengamatan dari awal, bahkan ketika string lainnya sedang dikerahkan.
Ketika proyek ini pertama kali dimulai, para peneliti tidak jelas tentang seberapa jauh cahaya akan melewati es, menurut Halzen. Dengan informasi yang mapan itu, kolaborasi ini bekerja menuju IceCube-Gen2. Observatorium yang ditingkatkan ini akan menambah sekitar 80 senar detektor, sementara pemahaman tentang sifat-sifat es akan memungkinkan para peneliti untuk menempatkan sensor lebih luas daripada perkiraan konservatif aslinya. IceCube-Gen2 harus menggandakan ukuran observatorium dengan biaya yang kira-kira sama.
Ilmu pengetahuan yang luar biasa
IceCube mulai berburu untuk neutrino sebelum selesai, menghasilkan beberapa hasil ilmiah yang menarik di sepanjang jalan.
Antara Mei 2010 dan Mei 2012, IceCube mengamati 28 partikel berenergi sangat tinggi. Halzen mengaitkan kemampuan detektor untuk mengamati peristiwa ekstrem ini dengan penyelesaian detektor.
"Ini adalah indikasi pertama neutrino berenergi sangat tinggi yang berasal dari luar tata surya kita, dengan energi lebih dari satu juta kali yang diamati pada tahun 1987 sehubungan dengan supernova yang terlihat di Awan Magellan Besar," kata Halzen dalam sebuah pernyataan. "Sangat menyenangkan akhirnya melihat apa yang telah kita cari. Ini adalah awal era baru astronomi."
Pada April 2012, sepasang neutrino berenergi tinggi terdeteksi dan dijuluki Bert dan Ernie, setelah karakter dari acara televisi anak-anak "Sesame Street." Dengan energi di atas 1 petaelectronvolt (PeV), pasangan ini adalah neutrino yang terdeteksi secara definitif pertama dari luar tata surya sejak supernova 1987.
"Ini adalah terobosan besar," kata Uli Katz, ahli fisika partikel di Universitas Erlangen-Nuremberg, di Jerman, yang tidak terlibat dalam penelitian. "Saya pikir itu adalah salah satu penemuan utama mutlak dalam fisika partikel-astro," kata Katz kepada Space.com.
Pengamatan ini menghasilkan IceCube dianugerahi Fisika Dunia 2013 Terobosan Tahun Ini.
Hasil besar lainnya datang pada 4 Desember 2012, ketika observatorium mendeteksi sebuah peristiwa yang oleh para ilmuwan disebut Big Bird, juga dari "Sesame Street." Big Bird adalah neutrino dengan energi melebihi 2 kuadriliun elektron volt, lebih dari satu juta juta kali lebih besar dari energi sinar-X gigi, dikemas menjadi satu partikel dengan kurang dari sepersejuta massa elektron. Pada saat itu, itu adalah neutrino dengan energi tertinggi yang pernah terdeteksi; pada 2018, masih menempati peringkat kedua.
Dengan bantuan teleskop luar angkasa Fermi Gamma-ray NASA, para ilmuwan mengikat Big Bird dengan ledakan yang sangat energik dari sebuah blazar yang dikenal sebagai PKS B1424-418. Blazars ditenagai oleh lubang hitam supermasif di pusat galaksi. Saat lubang hitam melahap material, beberapa material dialihkan ke dalam jet yang membawa begitu banyak energi sehingga mereka mengungguli bintang-bintang di galaksi. Jet mempercepat materi, menciptakan neutrino dan fragmen atom yang menciptakan beberapa sinar kosmik.
Mulai musim panas 2012, blazar bersinar antara 15 dan 30 kali lebih terang dalam sinar gamma daripada rata-rata sebelum letusan. Sebuah program pengamatan jangka panjang bernama TANAMI, yang secara rutin memantau hampir 100 galaksi aktif di langit selatan, mengungkapkan bahwa inti jet galaksi telah mencerahkan empat kali antara 2011 dan 2013.
"Tidak ada galaksi kita yang diamati oleh TANAMI selama umur program yang menunjukkan perubahan dramatis," Eduardo Ros, dari Institut Max Planck untuk Astronomi Radio (MPIfR) di Jerman, mengatakan dalam pernyataan 2016. Tim menghitung bahwa kedua peristiwa itu terkait.
"Dengan mempertimbangkan semua pengamatan, blazar itu tampaknya memiliki sarana, motif, dan peluang untuk menembakkan neutrino Burung Besar, yang menjadikannya tersangka utama kami," kata Matthias Kadler, seorang profesor astrofisika di Universitas Würzburg di Jerman. "
Pada Juli 2018, IceCube mengumumkan bahwa, untuk pertama kalinya, ia melacak neutrino kembali ke blazar sumber mereka. Pada bulan September 2017, berkat sistem peringatan yang baru dipasang yang menyiarkan para ilmuwan di seluruh dunia dalam beberapa menit mendeteksi kandidat neutrino yang kuat, para peneliti dapat dengan cepat memutar teleskop mereka ke arah yang berasal dari sinyal baru. Fermi memperingatkan para peneliti tentang keberadaan blazar aktif, yang dikenal sebagai TXS-0506 + 056, di bagian langit yang sama. Pengamatan baru mengkonfirmasi bahwa blazar itu menyala, memancarkan ledakan energi yang lebih cerah dari biasanya.
Untuk sebagian besar, TXS adalah blazar khas; itu salah satu dari 100 blazer paling terang yang terdeteksi oleh Fermi. Namun, sementara 99 lainnya juga cerah, mereka belum melemparkan neutrino ke arah IceCube. Dalam beberapa bulan terakhir, TXS telah menyala, mencerahkan dan meredup sebanyak seratus kali lebih kuat dari tahun-tahun sebelumnya.
"Melacak neutrino berenergi tinggi yang terdeteksi oleh IceCube kembali ke TXS 0506 + 056 menjadikan ini pertama kalinya kami mampu mengidentifikasi objek tertentu sebagai sumber yang mungkin dari neutrino berenergi tinggi," Gregory Sivakoff, dari Universitas Alberta di Kanada, mengatakan dalam sebuah pernyataan.
IceCube belum selesai. Sistem peringatan baru ini akan membuat para astronom tetap waspada di tahun-tahun mendatang. Observatorium ini memiliki umur rencana 20 tahun, jadi setidaknya ada satu dekade penemuan luar biasa yang datang dari observatorium Kutub Selatan.
