Sebuah neutrino adalah partikel elementer yang sangat mirip dengan elektron, tetapi tidak memiliki muatan listrik. Ia memiliki massa yang sangat kecil, yang bahkan mungkin nol. Kecepatan neutrino juga bergantung pada massa. Perbedaan waktu kedatangan partikel dan cahaya adalah 0,0006% (± 0,0012%). Pada tahun 2011, selama percobaan OPERA, ditemukan bahwa kecepatan neutrino melebihi kecepatan cahaya, tetapi pengalaman independen tidak mengkonfirmasi hal ini.
Partikel Elusif
Ini adalah salah satu partikel paling umum di alam semesta. Karena berinteraksi sangat sedikit dengan materi, sangat sulit untuk dideteksi. Elektron dan neutrino tidak berpartisipasi dalam interaksi nuklir kuat, tetapi sama-sama berpartisipasi dalam interaksi nuklir lemah. Partikel dengan sifat ini disebut lepton. Selain elektron (dan antipartikelnya, positron), lepton bermuatan termasuk muon (200 massa elektron), tau (3500 massa elektron), dan antipartikelnya. Mereka disebut demikian: elektron-, muon- dan tau-neutrino. Mereka masing-masing memiliki komponen anti-materi yang disebut antineutrino.
Muon dan tau, seperti elektron, memiliki partikel yang menyertainya. Ini adalah muon dan tau neutrino. Ketiga jenis partikel tersebut berbeda satu sama lain. Misalnya, ketika muon neutrino berinteraksi dengan target, mereka selalu menghasilkan muon, tidak pernah tau atau elektron. Dalam interaksi partikel, meskipun elektron dan elektron-neutrino dapat diciptakan dan dihancurkan, jumlahnya tetap tidak berubah. Fakta ini menyebabkan pembagian lepton menjadi tiga jenis, yang masing-masing memiliki lepton bermuatan dan neutrino yang menyertainya.
Detektor yang sangat besar dan sangat sensitif diperlukan untuk mendeteksi partikel ini. Biasanya, neutrino berenergi rendah akan melakukan perjalanan bertahun-tahun cahaya sebelum berinteraksi dengan materi. Akibatnya, semua eksperimen berbasis darat dengan mereka bergantung pada pengukuran fraksi kecil mereka yang berinteraksi dengan perekam dengan ukuran yang wajar. Misalnya, di Sudbury Neutrino Observatory, yang mengandung 1000 ton air berat, sekitar 1012 neutrino surya per detik melewati detektor. Dan hanya ditemukan 30 hari.
Riwayat penemuan
Wolfgang Pauli pertama kali mendalilkan keberadaan partikel pada tahun 1930. Masalah muncul pada saat itu karena tampaknya energi dan momentum sudut tidak kekal dalam peluruhan beta. Tetapi Pauli mencatat bahwa jika partikel neutrino netral yang tidak berinteraksi dipancarkan, maka hukum kekekalan energi akan diamati. Fisikawan Italia Enrico Fermi mengembangkan teori peluruhan beta pada tahun 1934 dan memberi nama partikel itu.
Terlepas dari semua prediksi, selama 20 tahun neutrino tidak dapat dideteksi secara eksperimental karena interaksinya yang lemah dengan materi. Karena partikel tidak bermuatan listrikbermuatan, mereka tidak terpengaruh oleh gaya elektromagnetik, dan, oleh karena itu, mereka tidak menyebabkan ionisasi materi. Selain itu, mereka bereaksi dengan materi hanya melalui interaksi lemah dengan kekuatan yang dapat diabaikan. Oleh karena itu, mereka adalah partikel subatomik yang paling menembus, mampu melewati sejumlah besar atom tanpa menyebabkan reaksi apa pun. Hanya 1 dari 10 miliar partikel ini, yang bergerak melalui materi dengan jarak yang sama dengan diameter Bumi, bereaksi dengan proton atau neutron.
Akhirnya, pada tahun 1956, sekelompok fisikawan Amerika yang dipimpin oleh Frederick Reines mengumumkan penemuan antineutrino elektron. Dalam eksperimennya, antineutrino yang dipancarkan dari reaktor nuklir berinteraksi dengan proton untuk membentuk neutron dan positron. Tanda tangan energi yang unik (dan langka) dari produk sampingan terbaru ini memberikan bukti keberadaan partikel tersebut.
Penemuan lepton muon bermuatan menjadi titik awal untuk identifikasi selanjutnya dari jenis kedua neutrino - muon. Identifikasi mereka dilakukan pada tahun 1962 berdasarkan hasil percobaan dalam akselerator partikel. Neutrino muonik berenergi tinggi dihasilkan oleh peluruhan pi-meson dan dikirim ke detektor sedemikian rupa sehingga reaksinya dengan materi dapat dipelajari. Meskipun mereka tidak reaktif, seperti jenis partikel lainnya, telah ditemukan bahwa pada kesempatan langka ketika mereka bereaksi dengan proton atau neutron, muon-neutrino membentuk muon, tetapi tidak pernah elektron. Pada tahun 1998, fisikawan Amerika Leon Lederman, Melvin Schwartz dan Jack Steinbergermenerima Hadiah Nobel dalam Fisika untuk identifikasi muon-neutrino.
Pada pertengahan 1970-an, fisika neutrino diisi ulang dengan jenis lepton bermuatan lain - tau. Tau neutrino dan tau antineutrino ternyata terkait dengan lepton bermuatan ketiga ini. Pada tahun 2000, fisikawan di National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi melaporkan bukti eksperimental pertama keberadaan partikel jenis ini.
Misa
Semua jenis neutrino memiliki massa yang jauh lebih kecil daripada massa yang bermuatan. Sebagai contoh, eksperimen menunjukkan bahwa massa elektron-neutrino harus kurang dari 0,002% massa elektron dan jumlah massa ketiga spesies harus kurang dari 0,48 eV. Selama bertahun-tahun tampaknya massa partikel adalah nol, meskipun tidak ada bukti teoretis yang meyakinkan mengapa demikian. Kemudian, pada tahun 2002, Sudbury Neutrino Observatory memberikan bukti langsung pertama bahwa elektron-neutrino yang dipancarkan oleh reaksi nuklir di inti Matahari berubah jenis saat mereka melewatinya. "Getaran" neutrino seperti itu dimungkinkan jika satu atau lebih jenis partikel memiliki massa kecil. Studi mereka tentang interaksi sinar kosmik di atmosfer bumi juga menunjukkan adanya massa, tetapi eksperimen lebih lanjut diperlukan untuk menentukannya dengan lebih akurat.
Sumber
Sumber neutrino alami adalah peluruhan radioaktif dari unsur-unsur di perut Bumi, di manaaliran besar elektron-antineutrino berenergi rendah dipancarkan. Supernova juga merupakan fenomena neutrino yang dominan, karena hanya partikel-partikel ini yang dapat menembus material superpadat yang dihasilkan dalam bintang yang runtuh; hanya sebagian kecil dari energi yang diubah menjadi cahaya. Perhitungan menunjukkan bahwa sekitar 2% dari energi Matahari adalah energi neutrino yang dihasilkan dalam reaksi fusi termonuklir. Kemungkinan besar materi gelap di alam semesta terdiri dari neutrino yang dihasilkan selama Big Bang.
Masalah fisika
Bidang yang berkaitan dengan neutrino dan astrofisika beragam dan berkembang pesat. Pertanyaan saat ini yang menarik sejumlah besar upaya eksperimental dan teoretis adalah sebagai berikut:
- Berapa massa neutrino yang berbeda?
- Bagaimana pengaruhnya terhadap kosmologi Big Bang?
- Apakah mereka berosilasi?
- Dapatkah neutrino dari satu jenis berubah menjadi yang lain saat mereka melakukan perjalanan melalui materi dan ruang?
- Apakah neutrino pada dasarnya berbeda dari antipartikelnya?
- Bagaimana bintang runtuh dan membentuk supernova?
- Apa peran neutrino dalam kosmologi?
Salah satu masalah lama yang menjadi perhatian khusus adalah apa yang disebut masalah neutrino surya. Nama ini mengacu pada fakta bahwa selama beberapa eksperimen berbasis darat yang dilakukan selama 30 tahun terakhir, lebih sedikit partikel yang diamati secara konsisten daripada yang dibutuhkan untuk menghasilkan energi yang dipancarkan oleh matahari. Salah satu solusi yang mungkin adalah osilasi, yaitu, transformasi elektronikneutrino menjadi muon atau tau saat melakukan perjalanan ke Bumi. Karena jauh lebih sulit untuk mengukur muon berenergi rendah atau tau neutrino, transformasi semacam ini dapat menjelaskan mengapa kita tidak mengamati jumlah partikel yang tepat di Bumi.
Hadiah Nobel Keempat
Hadiah Nobel Fisika 2015 diberikan kepada Takaaki Kajita dan Arthur McDonald atas penemuan massa neutrino mereka. Ini adalah penghargaan keempat yang terkait dengan pengukuran eksperimental partikel-partikel ini. Beberapa orang mungkin bertanya-tanya mengapa kita harus begitu peduli dengan sesuatu yang hampir tidak berinteraksi dengan materi biasa.
Fakta bahwa kita dapat mendeteksi partikel fana ini adalah bukti kecerdikan manusia. Karena aturan mekanika kuantum bersifat probabilistik, kita tahu bahwa meskipun hampir semua neutrino melewati Bumi, beberapa di antaranya akan berinteraksi dengannya. Detektor yang cukup besar untuk mendeteksi ini.
Perangkat pertama dibuat pada tahun enam puluhan jauh di dalam tambang di South Dakota. Tambang itu diisi dengan 400 ribu liter cairan pembersih. Rata-rata, satu partikel neutrino setiap hari berinteraksi dengan atom klorin, mengubahnya menjadi argon. Luar biasa, Raymond Davis, yang bertanggung jawab atas detektor, menemukan cara untuk mendeteksi beberapa atom argon ini, dan empat dekade kemudian, pada tahun 2002, ia dianugerahi Hadiah Nobel untuk prestasi teknis yang menakjubkan ini.
Astronomi Baru
Karena neutrino berinteraksi sangat lemah, mereka dapat menempuh jarak yang sangat jauh. Mereka memberi kita kesempatan untuk melihat ke tempat-tempat yang sebelumnya tidak akan pernah kita lihat. Neutrino yang ditemukan Davis dihasilkan oleh reaksi nuklir yang terjadi di pusat Matahari, dan mampu melarikan diri dari tempat yang sangat padat dan panas ini hanya karena mereka hampir tidak berinteraksi dengan materi lain. Bahkan dimungkinkan untuk mendeteksi neutrino yang terbang dari pusat bintang yang meledak lebih dari seratus ribu tahun cahaya dari Bumi.
Selain itu, partikel-partikel ini memungkinkan untuk mengamati alam semesta dalam skala yang sangat kecil, jauh lebih kecil daripada yang dapat dilihat oleh Large Hadron Collider di Jenewa, yang menemukan Higgs boson. Karena alasan inilah Komite Nobel memutuskan untuk menganugerahkan Hadiah Nobel untuk penemuan jenis neutrino lainnya.
Misterius Hilang
Ketika Ray Davis mengamati neutrino matahari, dia hanya menemukan sepertiga dari jumlah yang diharapkan. Sebagian besar fisikawan percaya bahwa alasannya adalah pengetahuan yang buruk tentang astrofisika Matahari: mungkin model interior bintang melebih-lebihkan jumlah neutrino yang dihasilkan di dalamnya. Namun selama bertahun-tahun, bahkan ketika model surya meningkat, kekurangan tetap ada. Fisikawan menarik perhatian pada kemungkinan lain: masalahnya mungkin terkait dengan pemahaman kita tentang partikel-partikel ini. Menurut teori yang berlaku saat itu, mereka tidak memiliki massa. Tetapi beberapa fisikawan berpendapat bahwa partikel sebenarnya memiliki yang sangat kecilmassa, dan massa ini adalah alasan kekurangan mereka.
Partikel bermuka tiga
Menurut teori osilasi neutrino, ada tiga jenis neutrino di alam. Jika sebuah partikel memiliki massa, maka ketika bergerak, ia dapat berubah dari satu jenis ke jenis lainnya. Tiga jenis - elektron, muon dan tau - ketika berinteraksi dengan materi dapat diubah menjadi partikel bermuatan yang sesuai (elektron, muon atau tau lepton). "Osilasi" terjadi karena mekanika kuantum. Jenis neutrino tidak konstan. Itu berubah seiring waktu. Sebuah neutrino, yang memulai keberadaannya sebagai elektron, dapat berubah menjadi muon, dan kemudian kembali. Dengan demikian, partikel yang terbentuk di inti Matahari, dalam perjalanannya ke Bumi, secara berkala dapat berubah menjadi muon-neutrino dan sebaliknya. Karena detektor Davis hanya dapat mendeteksi neutrino elektron yang mampu menyebabkan transmutasi nuklir klorin menjadi argon, tampaknya neutrino yang hilang telah berubah menjadi jenis lain. (Ternyata, neutrino berosilasi di dalam Matahari, bukan dalam perjalanannya ke Bumi.)
eksperimen Kanada
Satu-satunya cara untuk mengujinya adalah dengan membuat detektor yang bekerja untuk ketiga jenis neutrino. Sejak 1990-an, Arthur McDonald dari Queen's Ontario University telah memimpin tim yang melakukan ini di sebuah tambang di Sudbury, Ontario. Fasilitas itu berisi berton-ton air berat yang dipinjam dari pemerintah Kanada. Air berat adalah bentuk air yang langka tetapi terjadi secara alami di mana hidrogen, yang mengandung satu proton,digantikan oleh isotop deuterium yang lebih berat, yang mengandung proton dan neutron. Pemerintah Kanada menimbun air berat karena digunakan sebagai pendingin di reaktor nuklir. Ketiga jenis neutrino dapat menghancurkan deuterium untuk membentuk proton dan neutron, dan neutron tersebut kemudian dihitung. Detektor mencatat sekitar tiga kali jumlah partikel dibandingkan dengan Davis - persis jumlah yang diprediksi oleh model terbaik Matahari. Hal ini menunjukkan bahwa elektron-neutrino dapat berosilasi menjadi tipe lainnya.
eksperimen Jepang
Sekitar waktu yang sama, Takaaki Kajita dari Universitas Tokyo melakukan eksperimen luar biasa lainnya. Sebuah detektor yang dipasang di sebuah tambang di Jepang mencatat neutrino yang datang bukan dari perut Matahari, tetapi dari atmosfer bagian atas. Ketika proton sinar kosmik bertabrakan dengan atmosfer, hujan partikel lain terbentuk, termasuk muon neutrino. Di tambang, mereka mengubah inti hidrogen menjadi muon. Detektor Kajita bisa melihat partikel datang dari dua arah. Beberapa jatuh dari atas, datang dari atmosfer, sementara yang lain bergerak dari bawah. Jumlah partikel berbeda, yang menunjukkan sifat mereka yang berbeda - mereka berada pada titik yang berbeda dari siklus osilasinya.
Revolusi dalam sains
Semuanya eksotis dan menakjubkan, tetapi mengapa osilasi dan massa neutrino menarik begitu banyak perhatian? Alasannya sederhana. Dalam model standar fisika partikel yang dikembangkan selama lima puluh tahun terakhir abad kedua puluh,yang dengan tepat menggambarkan semua pengamatan lain dalam akselerator dan eksperimen lain, neutrino seharusnya tidak bermassa. Penemuan massa neutrino menunjukkan bahwa ada sesuatu yang hilang. Model Standar tidak lengkap. Elemen yang hilang belum ditemukan, baik melalui Large Hadron Collider atau mesin lain yang belum dibuat.
