Neutrino mungkin adalah yang paling membingungkan dari partikel yang diketahui. Mereka hanya mengabaikan semua aturan yang diketahui tentang bagaimana seharusnya partikel berperilaku. Mereka mengejek detektor mewah kami. Seperti kucing kosmik, mereka berkeliaran di seluruh alam semesta tanpa khawatir atau peduli, kadang-kadang berinteraksi dengan kita semua, tetapi benar-benar hanya ketika mereka merasa seperti itu, yang sejujurnya tidak terlalu sering.
Yang paling membuat frustrasi, mereka memakai topeng dan tidak pernah terlihat dengan cara yang sama dua kali.
Tetapi percobaan baru mungkin telah membawa kita selangkah lebih dekat untuk merobek topeng itu. Mengungkap identitas neutrino yang sebenarnya dapat membantu menjawab pertanyaan lama, seperti apakah neutrino adalah mitra antimateri mereka sendiri, dan itu bahkan dapat membantu menyatukan kekuatan alam menjadi satu teori kohesif.
Masalah besar
Neutrino aneh. Ada tiga jenis: neutrino elektron, neutrino muon dan neutrino tau. (Ada juga versi anti partikel dari ketiganya, tapi itu bukan bagian besar dari cerita ini.) Mereka dinamai demikian karena ketiga jenis ini dapat berpesta dengan tiga jenis partikel yang berbeda. Elektron neutrino bergabung dalam interaksi yang melibatkan elektron. Neutrino muon dipasangkan dengan muon. Tidak ada poin yang akan diberikan untuk menebak apa yang berinteraksi dengan tau neutrino.
Sejauh ini, itu tidak aneh sama sekali. Inilah bagian yang aneh.
Untuk partikel tidak neutrino - seperti elektron, muon dan partikel tau - apa yang Anda lihat adalah apa yang Anda dapatkan. Partikel-partikel itu semua persis sama kecuali massa mereka. Jika Anda melihat sebuah partikel dengan massa elektron, ia akan berperilaku persis seperti elektron yang seharusnya berperilaku, dan hal yang sama berlaku untuk muon dan tau. Terlebih lagi, begitu Anda melihat elektron, itu akan selalu menjadi elektron. Tidak lebih, tidak kurang. Sama untuk muon dan tau.
Tetapi hal yang sama tidak berlaku untuk sepupu mereka, elektron, muon dan tau neutrino.
Apa yang kita sebut, "tau neutrino" tidak selalu tau neutrino. Itu bisa mengubah identitasnya. Ini bisa menjadi, midflight, elektron atau muon neutrino.
Fenomena aneh yang pada dasarnya tidak diduga ini disebut osilasi neutrino. Artinya, antara lain, Anda dapat membuat elektron neutrino dan mengirimkannya ke teman baik Anda sebagai hadiah. Tetapi pada saat mereka mendapatkannya, mereka mungkin kecewa menemukan tau neutrino sebagai gantinya.
Goyang-goyang
Untuk alasan teknis, osilasi neutrino hanya berfungsi jika ada tiga neutrino dengan tiga massa berbeda. Tetapi neutrino yang berosilasi bukanlah neutrino yang berasa elektron, muon, dan tau.
Sebaliknya, ada tiga neutrino "benar", masing-masing dengan massa berbeda, tetapi tidak diketahui. Campuran berbeda dari neutrino fundamental sejati ini menciptakan masing-masing rasa neutrino yang kami deteksi di laboratorium kami (elektron, muon, tau). Jadi, massa yang diukur di laboratorium adalah beberapa campuran dari massa neutrino sejati. Sementara itu, massa masing-masing neutrino sejati dalam campuran mengatur seberapa sering ia berubah menjadi masing-masing rasa yang berbeda.
Tugas fisikawan sekarang adalah untuk mengurai semua hubungan: Berapa massa neutrino sejati itu, dan bagaimana mereka bercampur menjadi tiga rasa?
Jadi, fisikawan sedang berburu untuk mengungkap massa neutrino "sejati" dengan melihat kapan dan seberapa sering mereka berganti rasa. Sekali lagi, jargon fisika sangat tidak membantu ketika menjelaskan ini, karena nama ketiga neutrino ini hanya m1, m2 dan m3.
Berbagai percobaan yang sungguh-sungguh telah mengajari para ilmuwan beberapa hal tentang massa neutrino sejati, setidaknya secara tidak langsung. Sebagai contoh, kita tahu tentang beberapa hubungan antara kuadrat massa. Tetapi kita tidak tahu persis berapa berat neutrino yang sebenarnya, dan kita tidak tahu mana yang lebih berat.
Bisa jadi m3 adalah yang terberat, jauh melebihi m2 dan m1. Ini disebut "pemesanan normal" karena tampaknya cukup normal - dan itu adalah fisikawan pemesan yang pada dasarnya sudah menebak beberapa dekade yang lalu. Tetapi berdasarkan kondisi pengetahuan kita saat ini, bisa jadi m2 adalah neutrino terberat, dengan m1 tidak jauh di belakang dan m3 kecil dibandingkan. Skenario ini disebut "pemesanan terbalik," karena itu berarti kami menebak urutan yang salah pada awalnya.
Tentu saja, ada kubu teori yang menganggap bahwa masing-masing skenario ini benar. Teori-teori yang mencoba menyatukan semua (atau paling tidak sebagian besar) kekuatan alam di bawah satu atap biasanya membutuhkan pengaturan massa-neutrino normal. Di sisi lain, pemesanan massa terbalik diperlukan agar neutrino menjadi kembaran anti partikelnya sendiri. Dan jika itu benar, itu bisa membantu menjelaskan mengapa ada lebih banyak materi daripada antimateri di alam semesta.
Latihan DeepCore
Mana itu: normal atau terbalik? Itulah salah satu pertanyaan terbesar yang muncul dari beberapa dekade terakhir penelitian neutrino, dan itu adalah jenis pertanyaan yang benar-benar dirancang untuk dijawab oleh IceCube Neutrino Observatory. Terletak di Kutub Selatan, observatorium terdiri dari puluhan untaian detektor yang tenggelam ke dalam Lapisan Es Antartika, dengan "DeepCore" pusat dari delapan untai detektor yang lebih efisien yang mampu melihat interaksi energi yang lebih rendah.
Neutrino nyaris tidak berbicara dengan materi normal, jadi mereka sangat mampu terbang menembus tubuh Bumi itu sendiri. Dan ketika mereka melakukannya, mereka akan berubah menjadi berbagai rasa. Setiap sesekali langka, mereka akan menyerang molekul di Lapisan Es Antartika dekat detektor IceCube, memicu hujan partikel yang memancarkan cahaya biru mengejutkan yang disebut radiasi Cherenkov. Cahaya inilah yang dideteksi oleh string IceCube.
Dalam sebuah makalah baru-baru ini yang diterbitkan pada jurnal pra-cetak arXiv, ilmuwan IceCube menggunakan tiga tahun data DeepCore untuk mengukur berapa banyak setiap jenis neutrino yang melewati Bumi. Kemajuannya lambat, tentu saja, karena neutrino sangat sulit ditangkap. Tetapi dalam pekerjaan ini. para ilmuwan melaporkan sedikit preferensi dalam data untuk pemesanan normal (yang berarti kita menebak dengan benar beberapa dekade yang lalu). Namun, mereka belum menemukan yang konklusif.
Apakah ini semua yang akan kita dapatkan? Tentu tidak. IceCube sedang bersiap-siap untuk peningkatan besar segera, dan eksperimen baru seperti Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) dan Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) bersiap-siap untuk mengatasi pertanyaan sentral ini juga. Siapa yang tahu bahwa pertanyaan sederhana tentang pengaturan massa neutrino akan mengungkapkan cara kerja alam semesta? Sayang sekali, ini juga bukan pertanyaan yang mudah.
Paul M. Sutter adalah seorang astrofisikawan di Universitas Negeri Ohio, tuan rumah dari "Tanya seorang angkasawan" dan "Radio luar angkasa, "dan penulis"Tempat Anda di Alam Semesta."
