Bagaimana Cara Memahami Fisika Melalui Alam Semesta Kita?
Selama enam tahun terakhir, para peneliti dari Indiana University dan rekan-rekan mereka dari seluruh dunia telah berusaha menjawab pertanyaan penting tentang hukum fisika paling dasar yang mengatur alam semesta kita. Eksperimen mereka, yaitu Majorana Demonstrator, telah membantu mendorong batas penelitian tentang salah satu blok bangunan fundamental alam semesta: neutrino.Laporan akhir eksperimen ini dipublikasikan di Physical Review Letters pada bulan Februari. Neutrino adalah partikel subatomik yang mirip dengan elektron tetapi tidak memiliki muatan listrik, dan menjadi partikel kedua yang paling banyak terdapat di alam semesta setelah cahaya. Namun, neutrino merupakan salah satu partikel yang paling sulit diukur karena tidak berinteraksi dengan cara yang sama seperti partikel lainnya.
Majorana Demonstrator, sebuah kolaborasi dari 60 peneliti dari 24 institusi, dirancang untuk mengisi banyak kekurangan tersebut pada saat yang sama, menyelidiki sifat dasar neutrino yang paling mendasar.
Salah satu aspek yang mereka harapkan dapat diamati adalah apakah neutrino bisa menjadi antipartikelnya sendiri -- sebuah partikel subatomik dengan massa yang sama tetapi dengan muatan listrik yang berlawanan. Karena neutrino tidak bermuatan, ia adalah satu-satunya partikel di alam semesta yang bisa menjadi antipartikelnya sendiri. Memahami hal ini akan memberikan wawasan mengapa neutrino memiliki massa pada awalnya -- informasi yang akan memiliki dampak luas dalam memahami bagaimana alam semesta terbentuk.
Untuk menentukan apakah neutrino adalah antipartikelnya sendiri, para peneliti perlu mengamati kejadian langka yang disebut peluruhan beta ganda tanpa neutrino. Namun, proses ini membutuhkan satu atom setidaknya 1026 tahun -- jauh lebih lama dari usia alam semesta. Sebagai gantinya, mereka memilih untuk mengamati hampir 1026 atom selama enam tahun.
Untuk mengamati peluruhan yang sangat langka ini, para peneliti membutuhkan lingkungan yang sempurna. Di Sanford Underground Research Facility di Black Hills, South Dakota, yang terletak setinggi satu mil di bawah tanah, mereka membangun salah satu lingkungan yang paling bersih dan tenang di Bumi. Detektor yang sangat sensitif terbuat dari germanium berkemurnian tinggi dan dikemas dalam pelindung timah seberat 50 ton dan dikelilingi oleh bahan-bahan dengan tingkat kebersihan yang belum pernah terjadi sebelumnya. Bahkan tembaga yang digunakan ditanam di bawah tanah di lab mereka dengan tingkat kotoran yang begitu rendah sehingga tidak bisa diukur.
Pettus dan tim mahasiswa IU bertanggung jawab terutama untuk menganalisis data dari eksperimen tersebut. Mahasiswa S2 Nafis Fuad, mahasiswa senior S1 Isaac Baker, mahasiswa semester dua Abby Kickbush, dan Jennifer James, mahasiswa dengan Program Pengalaman Riset untuk Mahasiswa S1, terlibat dalam proyek ini. Fokus mereka adalah memahami stabilitas eksperimen, menganalisis detail gelombang yang direkam, dan mengkarakterisasi latar belakang.
“Ini seperti mencari jarum kecil di dalam sekam yang sangat, sangat, sangat besar - Anda harus dengan hati-hati menghilangkan semua sekam (juga dikenal sebagai latar belakang) yang mungkin, dan Anda bahkan tidak tahu apakah ada jarum di sana atau tidak," kata Fuad. "Sangat mengasyikkan menjadi bagian dari pencarian itu."
Meskipun para peneliti pada akhirnya tidak mengamati peluruhan yang mereka harapkan, mereka menemukan bahwa skala peluruhan neutrino lebih lama dari batas yang mereka tetapkan, yang akan mereka uji lebih lanjut selama tahap berikutnya dari eksperimen. Selain itu, mereka merekam hasil ilmiah lainnya - mulai dari materi gelap hingga mekanika kuantum - yang membantu memberikan pemahaman yang lebih baik tentang alam semesta.
Melalui proyek ini, para peneliti membuktikan bahwa teknik yang mereka gunakan dapat digunakan dalam skala yang jauh lebih besar dalam pencarian yang berpotensi mengubah permainan dan dapat membantu menjelaskan keberadaan materi di alam semesta.
Baca Berita Terbaru Lainnya: Klik Disini
"Kami tidak melihat peluruhan yang kami cari, tetapi kami telah meningkatkan standar di mana untuk mencari fisika yang kami kejar," kata Pettus. "Sesuai dengan namanya, Demonstrator memajukan teknologi penting yang sudah kami manfaatkan untuk tahap berikutnya dari eksperimen di Italia. Kami mungkin belum merusak gambaran kami tentang fisika, tetapi kami pasti mendorong batas-batas, dan saya sangat senang dengan apa yang telah kami capai."
Proyek LEGEND-200 yang merupakan fase berikutnya dari proyek ini telah dimulai pengambilan data di Italia dan direncanakan akan berlangsung selama lima tahun ke depan. Para peneliti bertujuan untuk mengamati peluruhan yang terjadi dengan sensitivitas yang lebih tinggi dari Majorana Demonstrator. Selain itu, berkat dukungan dari Departemen Energi AS, tim sudah merancang eksperimen pengganti, yaitu LEGEND-1000.
Pettus sangat antusias dengan masa depan dari proyek ini dan berharap untuk melibatkan lebih banyak mahasiswa dalam proyek ini, baik dalam analisis data maupun pengembangan perangkat keras untuk LEGEND-1000.
Jika mereka menemukan bahwa neutrino adalah antipartikelnya sendiri, maka pengetahuan kita tentang fisika tidak akan mengubah kenyataan hukum fisika yang selalu mengatur alam semesta kita. Namun, mengetahui apa yang terjadi pada level yang paling fundamental dan bagaimana alam semesta bekerja memberi kita dunia yang lebih kaya dan indah untuk hidup, atau mungkin hanya lebih aneh, dan pengejaran ini merupakan sifat dasar dari manusia.
Majorana Demonstrator dikelola oleh Oak Ridge National Laboratory untuk Kantor Fisika Nuklir Departemen Energi AS, dengan dukungan dari National Science Foundation.
"Kami tidak melihat peluruhan yang kami cari, tetapi kami telah meningkatkan standar di mana untuk mencari fisika yang kami kejar," kata Pettus. "Sesuai dengan namanya, Demonstrator memajukan teknologi penting yang sudah kami manfaatkan untuk tahap berikutnya dari eksperimen di Italia. Kami mungkin belum merusak gambaran kami tentang fisika, tetapi kami pasti mendorong batas-batas, dan saya sangat senang dengan apa yang telah kami capai."
Proyek LEGEND-200 yang merupakan fase berikutnya dari proyek ini telah dimulai pengambilan data di Italia dan direncanakan akan berlangsung selama lima tahun ke depan. Para peneliti bertujuan untuk mengamati peluruhan yang terjadi dengan sensitivitas yang lebih tinggi dari Majorana Demonstrator. Selain itu, berkat dukungan dari Departemen Energi AS, tim sudah merancang eksperimen pengganti, yaitu LEGEND-1000.
Pettus sangat antusias dengan masa depan dari proyek ini dan berharap untuk melibatkan lebih banyak mahasiswa dalam proyek ini, baik dalam analisis data maupun pengembangan perangkat keras untuk LEGEND-1000.
Jika mereka menemukan bahwa neutrino adalah antipartikelnya sendiri, maka pengetahuan kita tentang fisika tidak akan mengubah kenyataan hukum fisika yang selalu mengatur alam semesta kita. Namun, mengetahui apa yang terjadi pada level yang paling fundamental dan bagaimana alam semesta bekerja memberi kita dunia yang lebih kaya dan indah untuk hidup, atau mungkin hanya lebih aneh, dan pengejaran ini merupakan sifat dasar dari manusia.
Majorana Demonstrator dikelola oleh Oak Ridge National Laboratory untuk Kantor Fisika Nuklir Departemen Energi AS, dengan dukungan dari National Science Foundation.
Journal Reference:
I. J. Arnquist, F. T. Avignone, A. S. Barabash, C. J. Barton, P. J. Barton, K. H. Bhimani, E. Blalock, B. Bos, M. Busch, M. Buuck, T. S. Caldwell, Y-D. Chan, C. D. Christofferson, P.-H. Chu, M. L. Clark, C. Cuesta, J. A. Detwiler, Yu. Efremenko, H. Ejiri, S. R. Elliott, G. K. Giovanetti, M. P. Green, J. Gruszko, I. S. Guinn, V. E. Guiseppe, C. R. Haufe, R. Henning, D. Hervas Aguilar, E. W. Hoppe, A. Hostiuc, M. F. Kidd, I. Kim, R. T. Kouzes, T. E. Lannen V., A. Li, A. M. Lopez, J. M. López-Castaño, E. L. Martin, R. D. Martin, R. Massarczyk, S. J. Meijer, S. Mertens, T. K. Oli, G. Othman, L. S. Paudel, W. Pettus, A. W. P. Poon, D. C. Radford, A. L. Reine, K. Rielage, N. W. Ruof, D. C. Schaper, D. Tedeschi, R. L. Varner, S. Vasilyev, J. F. Wilkerson, C. Wiseman, W. Xu, C.-H. Yu, B. X. Zhu. Final Result of the Majorana Demonstrator’s Search for Neutrinoless Double-β Decay in Ge76. Physical Review Letters, 2023; 130 (6) DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.062501