Para ilmuwan senang menjelajahi misteri, dan semakin besar misterinya, semakin besar pula antusiasme mereka. Ada banyak pertanyaan besar yang belum terjawab dalam sains, tetapi ketika Anda menjadi besar, sulit dikalahkan "Mengapa ada sesuatu, bukannya tidak ada apa-apa?"
Itu mungkin tampak seperti pertanyaan filosofis, tetapi itu adalah pertanyaan yang sangat cocok untuk penyelidikan ilmiah. Dinyatakan sedikit lebih konkret, "Mengapa alam semesta terbuat dari jenis-jenis materi yang memungkinkan kehidupan manusia sehingga kita bahkan dapat mengajukan pertanyaan ini?" Para ilmuwan yang melakukan penelitian di Jepang telah mengumumkan pengukuran bulan lalu yang secara langsung membahas pertanyaan paling menarik. Tampaknya pengukuran mereka tidak sesuai dengan harapan paling sederhana dari teori saat ini dan bisa menunjuk ke arah jawaban dari pertanyaan abadi ini.
Pengukuran mereka tampaknya mengatakan bahwa untuk set partikel subatomik tertentu, materi dan antimateri bertindak secara berbeda.
Materi v. Antimateri
Menggunakan akselerator J-PARC, yang terletak di Tokai, Jepang, para ilmuwan menembakkan seberkas partikel subatom hantu yang disebut neutrino dan rekan antimateri mereka (antineutrino) melalui Bumi ke eksperimen Super Kamiokande, yang terletak di Kamioka, juga di Jepang. Eksperimen ini, yang disebut T2K (Tokai to Kamiokande), dirancang untuk menentukan mengapa alam semesta kita terbuat dari materi. Perilaku aneh yang diperlihatkan oleh neutrino, yang disebut osilasi neutrino, mungkin memberi sedikit penjelasan tentang masalah yang sangat menjengkelkan ini.
Bertanya mengapa alam semesta terbuat dari materi mungkin terdengar seperti pertanyaan aneh, tetapi ada alasan yang sangat bagus bahwa para ilmuwan terkejut dengan ini. Itu karena, selain mengetahui keberadaan materi, para ilmuwan juga mengetahui antimateri.
Pada tahun 1928, fisikawan Inggris Paul Dirac mengusulkan keberadaan antimateri - saudara kandung materi yang antagonis. Gabungkan jumlah materi yang sama dan antimateri dan keduanya saling memusnahkan, menghasilkan pelepasan energi yang sangat besar. Dan, karena prinsip-prinsip fisika biasanya bekerja sama baiknya secara terbalik, jika Anda memiliki jumlah energi yang luar biasa, ia dapat dikonversi menjadi jumlah materi dan antimateri yang persis sama. Antimateri ditemukan pada tahun 1932 oleh Carl Anderson dari Amerika dan para peneliti telah hampir satu abad mempelajari sifat-sifatnya.
Namun, frasa "dalam jumlah yang persis sama" adalah inti dari teka-teki tersebut. Pada saat-saat singkat segera setelah Big Bang, alam semesta penuh energi. Ketika ia mengembang dan mendingin, energi itu seharusnya dikonversi menjadi materi bagian yang sama dan partikel-partikel sub-atomik anti-materi, yang seharusnya dapat diamati hari ini. Namun alam semesta kita pada dasarnya sepenuhnya terdiri dari materi. Bagaimana itu bisa terjadi?
Dengan menghitung jumlah atom di alam semesta dan membandingkannya dengan jumlah energi yang kita lihat, para ilmuwan menentukan bahwa "persis sama" tidak tepat. Entah bagaimana, ketika alam semesta sekitar sepersepuluh dari satu triliun dari yang kedua, hukum-hukum alam condong sedikit ke arah materi. Untuk setiap 3.000.000.000 partikel antimateri, ada 3.000.000.001 partikel materi. 3 miliar partikel materi dan 3 miliar partikel antimateri bergabung - dan dimusnahkan kembali menjadi energi, meninggalkan kelebihan sedikit materi untuk membentuk alam semesta yang kita lihat sekarang.
Karena teka-teki ini dipahami hampir seabad yang lalu, para peneliti telah mempelajari materi dan antimateri untuk melihat apakah mereka dapat menemukan perilaku dalam partikel-partikel subatom yang akan menjelaskan kelebihan materi. Mereka yakin bahwa materi dan antimateri dibuat dalam jumlah yang sama, tetapi mereka juga mengamati bahwa kelas partikel subatomik yang disebut quark menunjukkan perilaku yang sedikit lebih menyukai materi daripada antimateri. Pengukuran khusus itu halus, melibatkan kelas partikel yang disebut meson K yang dapat mengkonversi dari materi ke antimateri dan kembali lagi. Tetapi ada sedikit perbedaan dalam materi yang berubah menjadi antimateri dibandingkan dengan yang sebaliknya. Fenomena ini tidak terduga dan penemuannya mengarah pada hadiah Nobel 1980, tetapi besarnya efeknya tidak cukup untuk menjelaskan mengapa materi mendominasi di alam semesta kita.
Balok hantu
Dengan demikian, para ilmuwan telah mengalihkan perhatian mereka ke neutrino, untuk melihat apakah perilaku mereka dapat menjelaskan masalah berlebih. Neutrino adalah hantu dunia subatomik. Berinteraksi hanya dengan kekuatan nuklir yang lemah, mereka dapat melewati materi tanpa berinteraksi sama sekali. Untuk memberikan rasa skala, neutrino paling sering dibuat dalam reaksi nuklir dan reaktor nuklir terbesar di sekitar adalah Matahari. Untuk melindungi diri dari setengah neutrino matahari akan membutuhkan massa timah padat sekitar 5 tahun cahaya. Neutrino benar-benar tidak banyak berinteraksi.
Antara 1998 dan 2001, serangkaian percobaan - satu menggunakan detektor Super Kamiokande, dan lainnya menggunakan detektor SNO di Sudbury, Ontario - membuktikan secara pasti bahwa neutrino juga menunjukkan perilaku mengejutkan lainnya. Mereka mengubah identitas mereka.
Fisikawan mengetahui tiga jenis neutrino yang berbeda, masing-masing terkait dengan saudara kandung subatomik yang unik, yang disebut elektron, muon, dan taus. Elektron adalah apa yang menyebabkan listrik dan partikel muon dan tau sangat mirip dengan elektron, tetapi lebih berat dan tidak stabil.
Tiga jenis neutrino, yang disebut elektron neutrino, muon neutrino, dan tau neutrino, dapat "berubah" menjadi jenis neutrino lain dan kembali lagi. Perilaku ini disebut osilasi neutrino.
Osilasi Neutrino adalah fenomena kuantum yang unik, tetapi kira-kira analog dengan memulai dengan semangkuk es krim vanila dan, setelah Anda pergi dan menemukan sendok, Anda kembali untuk menemukan bahwa mangkuk itu adalah setengah vanilla dan setengah cokelat. Neutrino mengubah identitas mereka dari sepenuhnya menjadi satu jenis, ke campuran jenis, ke jenis yang sama sekali berbeda, dan kemudian kembali ke jenis aslinya.
Osilasi Antineutrino
Neutrino adalah partikel-partikel materi, tetapi neutrino antimateri, yang disebut antineutrino, juga ada. Dan itu mengarah pada pertanyaan yang sangat penting. Neutrino berosilasi, tetapi apakah antineutrino juga berosilasi dan apakah berosilasi dengan cara yang persis sama dengan neutrino? Jawaban untuk pertanyaan pertama adalah ya, sedangkan jawaban untuk pertanyaan kedua tidak diketahui.
Mari kita pertimbangkan ini sedikit lebih lengkap, tetapi dengan cara yang disederhanakan: Misalkan hanya ada dua jenis neutrino - muon dan elektron. Anggap lebih jauh bahwa Anda memiliki berkas neutrino murni jenis muon. Neutrino berosilasi pada kecepatan tertentu dan, karena bergerak mendekati kecepatan cahaya, mereka berosilasi sebagai fungsi jarak dari tempat mereka diciptakan. Dengan demikian, seberkas neutrino muon murni akan terlihat seperti campuran jenis muon dan elektron pada jarak tertentu, kemudian murni jenis elektron pada jarak lain dan kemudian kembali ke muon saja. Antimateri neutrino melakukan hal yang sama.
Namun, jika materi dan antimateri neutrino berosilasi pada tingkat yang sedikit berbeda, Anda akan berharap bahwa jika Anda berada pada jarak tetap dari titik di mana seberkas neutrino muon murni atau antineutrino muon dibuat, maka dalam kasus neutrino Anda akan melihat satu campuran muon dan neutrino elektron, tetapi dalam kasus antimateri neutrino, Anda akan melihat campuran antimateri muon dan elektron neutrino yang berbeda. Situasi aktual diperumit oleh fakta bahwa ada tiga jenis neutrino dan osilasi tergantung pada energi sinar, tetapi ini adalah gagasan besar.
Pengamatan berbagai frekuensi osilasi oleh neutrino dan antineutrino akan menjadi langkah penting untuk memahami fakta bahwa alam semesta terbuat dari materi. Ini bukan keseluruhan cerita, karena fenomena baru tambahan juga harus berlaku, tetapi perbedaan antara materi dan antimateri neutrino diperlukan untuk menjelaskan mengapa ada lebih banyak materi di alam semesta.
Dalam teori yang berlaku saat ini yang menggambarkan interaksi neutrino, ada variabel yang sensitif terhadap kemungkinan bahwa neutrino dan antineutrino berosilasi secara berbeda. Jika variabel itu nol, dua jenis partikel berosilasi pada laju yang identik; jika variabel itu berbeda dari nol, kedua tipe partikel berosilasi secara berbeda.
Ketika T2K mengukur variabel ini, mereka menemukan itu tidak konsisten dengan hipotesis bahwa neutrino dan antineutrino berosilasi secara identik. Sedikit lebih teknis, mereka menentukan kisaran nilai yang mungkin untuk variabel ini. Ada kemungkinan 95 persen bahwa nilai sebenarnya untuk variabel itu berada dalam kisaran itu dan hanya 5 persen peluang bahwa variabel sebenarnya berada di luar rentang itu. Hipotesis "tidak ada perbedaan" berada di luar kisaran 95 persen.
Dalam istilah yang lebih sederhana, pengukuran saat ini menunjukkan bahwa neutrino dan antimateri neutrino berosilasi secara berbeda, meskipun kepastian tidak naik ke tingkat untuk membuat klaim definitif. Faktanya, para kritikus menunjukkan bahwa pengukuran dengan tingkat signifikansi statistik ini harus dilihat dengan sangat, sangat skeptis. Tetapi ini tentu saja merupakan hasil awal yang sangat provokatif, dan komunitas ilmiah dunia sangat tertarik melihat penelitian yang lebih baik dan lebih tepat.
Eksperimen T2K akan terus merekam data tambahan dengan harapan membuat pengukuran yang pasti, tetapi itu bukan satu-satunya game di kota. Di Fermilab, yang terletak di luar Chicago, percobaan serupa yang disebut NOVA adalah menembak neutrino dan neutrino antimateri ke Minnesota utara, dengan harapan dapat mengalahkan T2K. Dan, mencari lebih ke masa depan, Fermilab bekerja keras pada apa yang akan menjadi eksperimen andalannya, yang disebut DUNE (Eksperimen Neutrino Bawah Tanah Dalam), yang akan memiliki kemampuan jauh lebih unggul untuk mempelajari fenomena penting ini.
Meskipun hasil T2K tidak pasti dan kehati-hatian dibenarkan, itu tentu menggiurkan. Mengingat besarnya pertanyaan mengapa alam semesta kita tampaknya tidak memiliki antimateri yang berarti, komunitas ilmiah dunia akan menunggu pembaruan lebih lanjut.
