Tersembunyi di kedalaman 1 km di bawah Gunung Ikeno, di tambang seng Kamioka, 290 km sebelah utara Tokyo (Jepang), ada tempat yang diimpikan oleh penjahat super dari film atau kisah pahlawan super sebagai sarangnya. Inilah "Super-Kamiokande" (atau "Super-K") - detektor neutrino. Neutrino adalah partikel fundamental subatom yang berinteraksi sangat lemah dengan materi biasa. Mereka benar-benar mampu menembus segalanya dan di mana-mana. Mengamati partikel fundamental ini membantu ilmuwan menemukan bintang yang runtuh dan mempelajari informasi baru tentang alam semesta kita. Business Insider berbicara dengan tiga karyawan stasiun Super-Kamiokande dan menemukan cara kerja semuanya di sini dan eksperimen apa yang dilakukan para ilmuwan di sini.
Terjun ke dunia subatomik
Neutrino sangat sulit dideteksi. Begitu sulitnya sehingga astrofisikawan Amerika yang terkenal dan pemopuler ilmu pengetahuan Neil DeGrasse Tyson pernah menyebut mereka "mangsa yang paling sulit ditangkap di luar angkasa".
“Materi tidak mewakili hambatan apa pun bagi neutrino. Partikel subatomik ini mampu melewati ratusan tahun cahaya logam dan bahkan tidak melambat,”kata Degrass Tyson.
Tetapi mengapa para ilmuwan bahkan mencoba untuk menangkapnya?
“Saat ledakan supernova terjadi, bintang itu runtuh dengan sendirinya dan berubah menjadi lubang hitam. Jika peristiwa ini terjadi di galaksi kita, maka detektor neutrino seperti "Super-K" yang sama dapat menangkap neutrino yang dipancarkan sebagai bagian dari proses ini. Hanya ada sedikit detektor seperti itu di dunia,”jelas Yoshi Uchida dari Imperial College London.
Sebelum bintang runtuh, ia melempar neutrino ke segala penjuru angkasa, dan laboratorium seperti Super-Kamiokande berfungsi sebagai sistem peringatan dini yang memberi tahu para ilmuwan arah mana yang harus dilihat untuk melihat saat-saat terakhir kehidupan bintang-bintang.
Video promosi:
“Perhitungan yang disederhanakan mengatakan bahwa peristiwa ledakan supernova dalam radius di mana detektor kami dapat mendeteksinya, terjadi hanya sekali setiap 30 tahun. Dengan kata lain, jika Anda melewatkan satu acara, Anda harus menunggu rata-rata beberapa dekade sebelum acara berikutnya,”kata Uchida.
Detektor neutrino Super-K tidak hanya menangkap neutrino yang menghantamnya langsung dari luar angkasa. Selain itu, neutrino ditransmisikan dari fasilitas eksperimental T2K yang terletak di kota Tokai, di bagian berlawanan dari Jepang. Sinar neutrino yang dikirim harus menempuh jarak sekitar 295 kilometer, setelah itu memasuki detektor Super-Kamiokande yang terletak di bagian barat negara itu.
Mengamati bagaimana neutrino berubah (atau berosilasi) saat mereka melakukan perjalanan melalui materi dapat memberi tahu para ilmuwan lebih banyak tentang sifat alam semesta, seperti hubungan antara materi dan antimateri.
“Model Big Bang kami menunjukkan bahwa materi dan antimateri harus dibuat dalam proporsi yang sama,” Morgan Vasco dari Imperial College London mengatakan kepada Business Insider.
Namun, bagian utama antimateri, karena suatu alasan atau lainnya, menghilang. Ada materi yang jauh lebih biasa daripada antimateri."
Para ilmuwan percaya bahwa studi tentang neutrino mungkin menjadi salah satu cara di mana jawaban atas teka-teki ini akhirnya akan ditemukan.
Bagaimana Super Kamiokande menangkap neutrino
Terletak 1.000 meter di bawah tanah, Super Kamiokande adalah sesuatu seperti ini, seukuran bangunan 15 lantai.
Skema detektor neutrino Super-Kamiokande.
Tangki besar stainless steel berbentuk silinder diisi dengan 50 ribu ton air yang dimurnikan khusus. Melewati neutrino air ini bergerak dengan kecepatan cahaya.
"Neutrino yang memasuki reservoir menghasilkan cahaya dalam pola yang mirip dengan bagaimana Concorde menembus penghalang suara," kata Uchida.
“Jika pesawat bergerak sangat cepat dan memecahkan penghalang suara, maka gelombang kejut yang sangat kuat tercipta di belakangnya. Demikian pula, neutrino yang melewati air dan bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya menciptakan gelombang kejut cahaya,”jelas ilmuwan tersebut.
Ada lebih dari 11.000 "bohlam" berlapis emas khusus yang dipasang di dinding, langit-langit, dan dasar tangki. Mereka disebut photomultipliers dan sangat peka cahaya. Merekalah yang menangkap gelombang kejut cahaya yang diciptakan oleh neutrino.
Photomultipliers terlihat seperti ini.
Morgan Vasco menggambarkannya sebagai "bola lampu belakang". Perangkat ini sangat sensitif sehingga bahkan dengan bantuan satu kuantum cahaya, perangkat ini mampu menghasilkan impuls listrik, yang kemudian diproses oleh sistem elektronik khusus.
Jangan minum air, kamu akan menjadi anak-anak
Agar cahaya dari gelombang kejut yang dihasilkan oleh neutrino mencapai sensor, air di dalam tangki harus jernih. Sangat bersih sehingga Anda bahkan tidak bisa membayangkan. Di Super-Kamiokanda, ini melalui proses pembersihan bertingkat khusus yang konstan. Ilmuwan bahkan menyinari dengan sinar ultraviolet untuk membunuh semua kemungkinan bakteri di dalamnya. Akibatnya, dia menjadi seperti dia sudah menerima horor.
“Air yang sangat murni bisa melarutkan apapun. Air yang sangat dimurnikan adalah hal yang sangat, sangat tidak menyenangkan di sini. Ia memiliki sifat asam dan alkali,”kata Uchida.
“Bahkan setetes air ini dapat menyebabkan begitu banyak masalah yang tidak pernah Anda impikan,” tambah Vasco.
Orang-orang berlayar dengan perahu di dalam waduk Super-Kamiokande.
Jika perlu melakukan perawatan di dalam tangki, misalnya untuk mengganti sensor yang rusak, peneliti harus menggunakan perahu karet (gambar di atas).
Ketika Matthew Malek menjadi mahasiswa pascasarjana di Universitas Sheffield, dia dan dua mahasiswa lainnya "beruntung" untuk melakukan pekerjaan serupa. Di penghujung hari kerja, ketika tiba waktunya untuk naik, sebuah gondola drop-down yang dirancang khusus rusak. Para fisikawan tidak punya pilihan selain kembali ke perahu dan menunggu sampai kapal diperbaiki.
“Saya tidak langsung mengerti ketika saya berbaring telentang di perahu ini dan berbicara dengan orang lain, bagaimana sebagian kecil rambut saya, yang panjangnya tidak lebih dari tiga sentimeter, menyentuh air ini,” kata Malek.
Saat mereka mengapung di dalam Super-Kamiokande dan para ilmuwan di lantai atas memperbaiki gondola, Malek tidak khawatir tentang apa pun. Dia menjadi khawatir keesokan paginya, menyadari bahwa sesuatu yang buruk telah terjadi.
“Saya bangun jam 3 pagi karena rasa gatal yang tak tertahankan di kepala saya. Itu mungkin gatal terparah yang pernah saya alami dalam hidup saya. Lebih buruk dari cacar air, yang saya alami saat kecil. Sangat mengerikan sehingga saya tidak bisa tidur lagi,”lanjut ilmuwan itu.
Malek menyadari bahwa setetes air yang jatuh di ujung rambutnya "mengeringkan" semua nutrisi dari mereka dan kekurangannya mencapai tengkoraknya. Dia bergegas ke kamar mandi dengan tergesa-gesa dan menghabiskan lebih dari setengah jam di sana, mencoba menata rambutnya kembali.
Kisah lain diceritakan oleh Vasco. Dia mendengar bahwa pada tahun 2000, selama pemeliharaan, personel mengeluarkan air dari tangki dan menemukan garis besar kunci pas di bagian bawah.
“Ternyata kunci ini secara tidak sengaja ditinggalkan oleh salah satu karyawan saat mereka mengisi tangki dengan air pada tahun 1995. Setelah mengguyur air pada tahun 2000, mereka menemukan bahwa kuncinya telah larut."
Super-Kamiokande 2.0
Terlepas dari kenyataan bahwa Super-Kamiokande sudah menjadi detektor neutrino yang sangat besar, para ilmuwan telah mengusulkan untuk membuat instalasi yang lebih besar yang disebut Hyper-Kamiokande.
“Jika kami mendapat persetujuan untuk pembangunan Hyper-Kamiokande, maka detektor tersebut akan siap dioperasikan sekitar tahun 2026,” kata Vasco.
Menurut konsep yang diajukan, detektor Hyper-Kamiokande akan berukuran 20 kali lebih besar dari Super-Kamiokande. Direncanakan akan menggunakan sekitar 99.000 pengganda foto.
Nikolay Khizhnyak
