Hasil terbaru dari percobaan neutrino Jepang terus mengungkapkan rincian ketidakcocokan dalam perilaku materi dan antimateri
Neutrino yang melewati pengaturan Super Kamiokande membuat distribusi warna yang informatif di dinding detektorJika Anda melihat dari atas, Anda bisa membingungkan lubang di tanah dengan poros elevator yang sangat besar. Tetapi pada kenyataannya, itu mengarah pada percobaan yang dapat menjawab pertanyaan mengapa masalah itu tidak hilang, berubah menjadi awan radiasi tak lama setelah Big Bang.
Saya berlokasi di Kompleks Penelitian Akselerator Proton Jepang (
J-PARC ), kantor pemerintah yang terpencil dan dijaga dengan baik di Tokai, sekitar satu jam dengan kereta api di utara Tokyo. Eksperimen T2K (
Tokai-ke-Kamioka ) yang berjalan di sini menghasilkan seberkas partikel subatomik, sebuah neutrino. Sinar melewati 295 km batu ke detektor Super Kamiokanda, sebuah lubang raksasa terkubur 1 km di bawah tanah dan diisi dengan 50.000 ton air ultra murni. Selama perjalanan, beberapa neutrino mengubah "sort" mereka dari satu ke yang lain.
Percobaan sedang berlangsung hari ini, dan hasil pertamanya diumumkan tahun lalu. Para ilmuwan di T2K sedang mempelajari bagaimana neutrino mengubah variasi, mencoba menjelaskan dominasi materi dibandingkan antimateri di alam semesta. Selama kunjungan saya, fisikawan menjelaskan kepada saya bahwa mereka sedang memproses data baru yang diperoleh selama setahun terakhir, dan hasilnya menjanjikan.
Menurut
Model Standar fisika partikel, setiap partikel memiliki pasangan cerminnya, yang membawa muatan listrik yang berlawanan - partikel antimateri. Ketika partikel-partikel materi dan antimateri bertabrakan, mereka musnah dalam ledakan radiasi. Namun, para ilmuwan percaya bahwa selama Dentuman Besar jumlah materi dan antimateri yang sama akan muncul, yang berarti bahwa segala sesuatu harus menghilang dengan cepat. Tapi itu belum hilang. Sebagian kecil dari materi purba bertahan dan membentuk alam semesta yang kita kenal.
Para peneliti tidak tahu mengapa ini terjadi. "Pasti ada semacam reaksi partikel yang terjadi secara berbeda dalam materi dan antimateri," kata Morgan Vasco, seorang ahli fisika di Imperial College di London. Misalnya, antimateri dapat membusuk dengan cara yang berbeda dari materi. Jika demikian, ini akan melanggar gagasan
invarian CP , yang mendalilkan bahwa hukum fisika tidak boleh berubah jika kita mengganti partikel-partikel materi dengan antipartikel (simetri berkenaan dengan pengisian) dan mencerminkannya (paritas simetri). Simetri berlaku untuk sebagian besar partikel, tetapi tidak untuk semua. Partikel-partikel subatomik quark melanggar simetri CP, tetapi penyimpangannya sangat kecil sehingga mereka tidak cukup untuk menjelaskan mengapa materi lebih banyak mengatasi antimateri di alam semesta.
Tahun lalu, kolaborasi T2K mengumumkan bukti pertama bahwa neutrino dapat melanggar invariansi CP, yang berpotensi menjelaskan mengapa alam semesta dipenuhi dengan materi. "Jika pelanggaran invarian CP diamati di bidang neutrino, ini dapat dengan mudah menjelaskan perbedaan antara materi dan antimateri," kata Adrian Beavan, spesialis fisika partikel di Queen Mary University of London.
Para peneliti mencari pelanggaran invarian CP dengan mempelajari perbedaan dalam perilaku materi dan antimateri. Dalam kasus neutrino, ilmuwan dengan T2K mempelajari bagaimana neutrino dan antineutrino
berosilasi , yaitu, berubah, sepanjang jalan menuju sensor Super-K. Pada tahun 2016, 32 muon neutrino ditukar dengan yang elektronik dalam perjalanan ke Super-K. Dan ketika para peneliti mengirim muon antineutrino di sana, hanya empat dari mereka yang menjadi elektronik.
Hasilnya menggerakkan masyarakat - meskipun sebagian besar fisikawan tidak gagal untuk menunjukkan bahwa dengan sampel sekecil itu ada kemungkinan 10% bahwa perbedaan ini adalah hasil dari fluktuasi acak (untuk perbandingan, ketika boson Higgs ditemukan pada tahun 2012, probabilitas keacakan sinyal adalah sepersejuta).
Tahun ini, para peneliti telah mengumpulkan data neutrino hampir dua kali lipat dari sebelumnya. Super-K menangkap 89 neutrino elektron, dan jumlah ini jauh melebihi ambang batas 67 partikel, yang seharusnya muncul tanpa adanya pelanggaran invarian CP. Percobaan juga menemukan hanya tujuh antineutrino elektronik, dua kurang dari yang diharapkan.
Sejauh ini, para peneliti belum mengumumkan penemuan tersebut. Karena jumlah data yang tidak terlalu besar, "masih ada 1 dari 20 kemungkinan bahwa ini adalah penyimpangan statistik dan bukan pelanggaran invarian CP," kata Philip Lichfield, seorang ahli fisika di Imperial College London. Agar hasilnya menjadi benar-benar bermakna, ia menambahkan, percobaan harus mencapai 3 peluang dari 1000, dan para peneliti berharap untuk mengatasi garis ini pada pertengahan 2020-an.
Tetapi perbaikan data yang dilakukan tahun lalu, meskipun sederhana, masih berjalan "ke arah yang sangat menarik," kata Tom Browder, seorang ahli fisika di Universitas Hawaii. Petunjuk fisika baru belum hilang, seperti yang diharapkan jika hasilnya dihapuskan dalam kasus ini. Termasuk juga hasil percobaan lain, NOvA, yang dilakukan di Fermi National Accelerator Laboratory di pinggiran kota Chicago. Tahun lalu, ia merilis dataset neutrino pertama, dan hasil antineutrino diharapkan musim panas mendatang. Dan meskipun hasil pertama ini pada pelanggaran invarian CP tidak akan signifikan secara statistik baik, jika hasil eksperimen NOvA dan T2K bersamaan, maka "konsistensi semua petunjuk awal ini" akan sangat menarik, kata Mark Monsieur, seorang ahli fisika di Universitas Indiana.
Pembaruan detektor Super-K yang direncanakan dapat memacu penelitian. Musim panas berikutnya, air dipompa keluar dari detektor untuk pertama kalinya dalam satu dekade, dan kemudian diisi ulang dengan air ultra murni. Ini akan dicampur dengan
gadolinium sulfat, garam yang secara signifikan meningkatkan sensitivitas perangkat terhadap antineutrino elektronik. “Mencampur gadolinium akan membuat mendeteksi interaksi antineutrino elektron menjadi tugas yang sangat mudah,” kata Browder. Garam akan membantu para peneliti untuk memisahkan interaksi antineutrino dari interaksi neutrino, yang akan meningkatkan kemampuan mereka untuk mencari pelanggaran invarian CP.
"Untuk saat ini, kami bersedia untuk berpendapat bahwa invarian CP dilanggar dalam kasus neutrino, tetapi kami tidak akan terkejut jika ini tidak terjadi," kata Andre de Guvea, seorang ahli fisika di Universitas Northeastern. Vasco sedikit lebih optimis: "Hasil T2K 2017 belum mengklarifikasi pemahaman kami tentang pelanggaran invariansi CP, tetapi berjanji untuk meningkatkan akurasi pengukurannya di masa mendatang," katanya. "Dan mungkin masa depan tidak jauh dari yang kita pikirkan tahun lalu."