Di Stasiun Kutub Selatan Amundsen-Scott di Antartika terdapat IceCube Neutrino Observatory - fasilitas yang didedikasikan untuk mempelajari partikel elementer yang dikenal sebagai neutrino. Array ini terdiri dari 5.160 sensor optik bulat - Modul Optik Digital (DOM) - terkubur dalam satu kilometer kubik es bening. Saat ini, observatorium ini adalah detektor neutrino terbesar di dunia dan telah menghabiskan tujuh tahun terakhir mempelajari bagaimana partikel-partikel ini berperilaku dan berinteraksi.
Studi terbaru yang dirilis oleh kolaborasi IceCube, dengan bantuan fisikawan dari Pennsylvania State University, telah mengukur kemampuan Bumi untuk memblokir neutrino untuk pertama kalinya. Konsisten dengan Model Standar Fisika Partikel, mereka menentukan bahwa sementara triliunan neutrino melewati Bumi (dan kita) secara teratur, beberapa kadang-kadang dihentikan olehnya.
Penelitian yang berjudul "Pengukuran Penampang Interaksi Neutrino Multi-TeV dengan IceCube Menggunakan Penyerapan Bumi", baru-baru ini muncul dalam jurnal ilmiah Alam. Hasil tim studi didasarkan pada pengamatan 10.784 interaksi yang dibuat oleh neutrino bergerak tinggi dan berenergi, yang dicatat selama setahun di observatorium.
Kembali pada tahun 2013, deteksi pertama neutrino berenergi tinggi dilakukan oleh kolaborasi IceCube. Neutrino ini - yang diyakini berasal dari astrofisika - berada dalam kisaran volt peta-elektron, menjadikannya neutrino energi tertinggi yang ditemukan hingga saat ini. IceCube mencari tanda-tanda interaksi ini dengan mencari radiasi Cherenkov, yang dihasilkan setelah partikel bermuatan cepat diperlambat dengan berinteraksi dengan materi normal.
Dengan mendeteksi neutrino yang berinteraksi dengan es jernih, instrumen IceCube mampu memperkirakan energi dan arah perjalanan neutrino. Terlepas dari deteksi ini, bagaimanapun, misteri tetap ada apakah materi apa pun bisa menghentikan neutrino saat ia melakukan perjalanan melalui ruang angkasa. Sesuai dengan Model Standar Fisika Partikel, ini adalah sesuatu yang harus terjadi sesekali.
Setelah mengamati interaksi di IceCube selama setahun, tim sains menemukan bahwa neutrino yang harus melakukan perjalanan terjauh melalui Bumi lebih kecil kemungkinannya untuk mencapai detektor. Seperti Doug Cowen, seorang profesor fisika dan astronomi / astrofisika di Penn State, menjelaskan dalam siaran pers Penn State:
“Pencapaian ini penting karena menunjukkan, untuk pertama kalinya, bahwa neutrino berenergi sangat tinggi dapat diserap oleh sesuatu - dalam hal ini, Bumi. Kami tahu bahwa neutrino berenergi rendah melewati hampir apa saja, tetapi meskipun kami memperkirakan neutrino berenergi lebih tinggi akan berbeda, tidak ada percobaan sebelumnya yang mampu menunjukkan secara meyakinkan bahwa neutrino berenergi lebih tinggi dapat dihentikan oleh apa pun. ”
Keberadaan neutrino pertama kali diusulkan pada tahun 1930 oleh fisikawan teoritis Wolfgang Pauli, yang mendalilkan keberadaan mereka sebagai cara untuk menjelaskan peluruhan beta dalam hal konservasi hukum energi. Mereka dinamakan demikian karena mereka netral secara listrik, dan hanya berinteraksi dengan materi dengan sangat lemah - yaitu melalui gaya subatomik dan gravitasi yang lemah. Karena itu, neutrino melewati materi normal secara teratur.
Sementara neutrino diproduksi secara teratur oleh bintang-bintang dan reaktor nuklir di Bumi, neutrino pertama terbentuk selama Big Bang. Dengan demikian, studi tentang interaksi mereka dengan materi normal dapat memberi tahu kita banyak tentang bagaimana Semesta berevolusi selama miliaran tahun. Banyak ilmuwan mengantisipasi bahwa studi tentang neutrino akan menunjukkan keberadaan fisika baru, yang melampaui Model Standar.
Karena itu, tim sains agak terkejut (dan mungkin kecewa) dengan hasil mereka. Sebagaimana Francis Halzen - peneliti utama untuk IceCube Neutrino Observatory dan seorang profesor fisika di University of Wisconsin-Madison - menjelaskan:
“Memahami bagaimana interaksi neutrino adalah kunci pengoperasian IceCube. Kami tentu saja berharap untuk beberapa fisika baru muncul, tetapi kami sayangnya menemukan bahwa Model Standar, seperti biasa, tahan uji.
Sebagian besar, neutrino yang dipilih untuk penelitian ini lebih dari satu juta kali lebih energik daripada yang diproduksi oleh Matahari atau pembangkit listrik tenaga nuklir kita. Analisis ini juga mencakup beberapa yang astrofisika di alam - yaitu diproduksi di luar atmosfer Bumi - dan mungkin telah dipercepat ke arah Bumi oleh lubang hitam supermasif (SMBH).
Darren Grant, seorang profesor fisika di Universitas Alberta, juga merupakan juru bicara untuk IceCube Collaboration. Seperti yang ditunjukkannya, studi interaksi terbaru ini membuka pintu untuk penelitian neutrino di masa depan. "Neutrino memiliki reputasi yang cukup baik untuk mengejutkan kami dengan perilaku mereka," katanya. “Sangat menarik melihat pengukuran pertama ini dan potensi yang dimilikinya untuk pengujian presisi di masa depan.”
Studi ini tidak hanya memberikan pengukuran pertama penyerapan neutrino di Bumi, tetapi juga menawarkan peluang bagi para peneliti geofisika yang berharap untuk menggunakan neutrino untuk menjelajahi interior Bumi. Mengingat bahwa Bumi mampu menghentikan miliaran partikel berenergi tinggi yang secara rutin melewatinya, para ilmuwan dapat mengembangkan metode untuk mempelajari inti dalam dan luar Bumi, menempatkan batasan yang lebih akurat pada ukuran dan kepadatannya.
Ini juga menunjukkan bahwa Observatorium IceCube mampu mencapai di luar tujuan aslinya, yang merupakan penelitian fisika partikel dan studi tentang neutrino. Seperti yang ditunjukkan oleh studi terbaru ini, ia mampu berkontribusi untuk penelitian sains planet dan fisika nuklir juga. Fisikawan juga berharap untuk menggunakan array IceCube 86-string penuh untuk melakukan analisis multi-tahun, memeriksa rentang yang lebih tinggi dari energi neutrino.
Seperti yang ditunjukkan James Whitmore - direktur program di divisi fisika National Science Foundation (NSF) (yang menyediakan dukungan untuk IceCube) - ini dapat memungkinkan mereka untuk benar-benar mencari fisika yang melampaui Model Standar.
“IceCube dibangun untuk mengeksplorasi batas-batas fisika dan, dengan melakukan itu, mungkin menantang persepsi yang ada tentang sifat alam semesta. Temuan baru ini dan yang lain yang akan datang masih dalam semangat penemuan ilmiah. "
Sejak penemuan bos Higgs pada tahun 2012, fisikawan telah merasa aman karena mengetahui bahwa perjalanan panjang untuk mengonfirmasi Model Standar kini telah selesai. Sejak itu, mereka telah menetapkan perangkat mereka lebih jauh, berharap menemukan fisika baru yang dapat menyelesaikan beberapa misteri yang lebih dalam dari Semesta - yaitu supersimetri, Teori Segalanya (ToE), dll
Ini, juga mempelajari bagaimana fisika bekerja pada tingkat energi tertinggi (mirip dengan yang ada selama Big Bang) adalah keasyikan fisikawan saat ini. Jika mereka berhasil, kita mungkin bisa memahami bagaimana benda besar ini dikenal sebagai Semesta bekerja.
