Berkenalan dengan ‘IceCube’, Detektor Neutrino Tercanggih di Kutub Selatan Antartika

Pernah mendengar partikel hantu (Ghost Particle)? Partikel macam apakah itu? Apakah partikel penyusun hantu-hantu yang kita kenal, seperti kalong wewe, kuntilanak, copong eh pocong, atau hantu sejenisnya? Tentu saja tidak, kali ini kita bukan membahas partikel penyusun dedemit atau semacamnya ya! Tetapi, kita bakalan membahas Neutrino yang merupakan sebuah partikel yang sifatnya kayak hantu, susah dideteksi tapi keberadaannya sangat penting dalam dunia fisika partikel. Penting banget karena neutrino sangat berguna dalam mempelajari alam semesta kita yang maha luas ini. Termasuk mempelajari mengapa materi lebih banyak dari antimateri pada saat awal-awal pembentukan partikel-partikel dasar setelah big bang^[1][2].

Kisah Romantis Neutrino

Neutrino menjadi sangat penting dalam dunia fisika, walaupun sifatnya kayak hantu yang susah dideteksi dan pernah dianggap tidak memiliki massa pada awal mula ditemukannya. Sungguh aneh! Neutrino yang kayak hantu aja dianggap ada dan penting keberadaannya. Saking pentingnya neutrino dalam dunia fisika partikel, topik riset ini pada tahun 2015 dianugrahkan penghargaan nobel fisika atas konfirmasi bahwa neutrino ternyata memiliki massa oleh Takaaki Kajita dan Arthur B. McDonald^[3]. Neutrino dihasilkan dari peluruhan radioaktif pada reaksi nuklir pada matahari dan juga pada reaktor nuklir^[4], dan tidak hanya dari 2 sumber itu, neutrino itu ada dimana-mana, katakanlah satu buah pisang saja dalam sehari mengemisikan sekitar 1 juta neutrino dari isotop potassium (tidak stabil, cenderung meluruh) yang dikandungnya. Selain digunakan untuk mempelajari alam semesta, neutrino juga dapat diterapkan pada bidang teknologi^[5], baca artikel Akankah Neutrino Merevolusi Teknologi? Simak Aplikasi Neutrino dalam Bidang Teknologi, dan juga akan digunakan untuk monitoring bagian dalam inti bumi^[6], baca artikel Ternyata Neutrino Dapat Dipakai Untuk Mengetahui Bagian Inti Bumi.

Kisah romantis tentang neutrino cukup panjang, jika diceritakan secara panjang lebar akan memakan banyak paragraf, namun ditulisan ini hanya dibahas beberapa hal penting saja, mengingat kita berfokus pada IceCube. Dalam buku fisika yang penulis baca, neutrino dikisahkan secara romantis hanya memiliki 3 rasa saja, yaitu neutrino tau, neutrino muon, dan neutrino elektron, kurang tahu kalau di buku yang lain. Tetapi, dalam beberapa makalah penelitian menceritakan bahwa neutrino juga memiliki rasa ke-4 loh, yaitu neutrino sterile, hanya saja rasa ke-4 tersebut masih berupa hipotesis, jadi kita sama sekali belum tahu apakah ada tau tidaknya^[7]. Banyak amat rasanya, kayak permen aja, ada rasa apel, pisang, mangga, jeruk, dll.

Oke! Kita cukupkan berkisah keromantisan neutrinonya ya! Sekarang menuju IceCube Neutrino Detector di Amundsen-Scott, Kutub Selatan, Antartika. Sifat terpenting dari Neutrino adalah tidak berinteraksi dengan materi, sehingga bisa nyelonong satu garis lurus dengan kecepatan super kenceng (relativistik istilah kerennya) tanpa nabrak sana sini. Mendeteksi partikel ini cukup sulit, tetapi dengan semakin canggihnya perkembangan teknologi, salah satu upaya yang dilakukan untuk mendeteksinya adalah dengan menggunakan detektor IceCube.

IceCube Neutrino Detector

IceCube Neutrino Deterctor atau IceCube Neutrino Observatory merupakan detektor neutrino berenergi tinggi terletak di Amundsen-Scott yang dirancang untuk mempelajari kosmologi (antariksa) dari lokasi sekitar 1 km di dalam es Kutub Selatan. Detektor ini dibangun atas konsorsium dari banyak negara untuk sebuah kolaborasi riset Internasional, tetapi yang bertanggung jawab penuh adalah Universitas Wisconsin-Madison. Sejauh ini sampai pada November 2017 jumlah anggota sekitar 300 fisikawan dari 49 intitusi untuk 12 negara (26 di AS dan Kanada, 19 di Eropa dan 4 di Asia Pasifik). IceCube dibangun dengan luas satu kilometer kubik es. IceCube bertujuan penting dalam mencari partikel subatom yang hampir tak bermassa yang disebut neutrino. Neutrino membawa banyak informasi penting dalam bidang astronomi berenergi tinggi yang dapat digunakan untuk menyelidiki sumber astrofisika, seperti peristiwa bintang meledak, semburan sinar gamma, dan fenomena dahsyat yang melibatkan lubang hitam hingga bintang neutron^[8].

Proses Pembangunan IceCube

IceCube bukanlah yang pertama dari jenisnya dibangun sebagai detektor neutrino di lokasi yang sama tersebut. Sebelumnya sudah pernah dibangun AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) yang dibangun pada awal tahun 1990-an. Proyek AMANDA sendiri mulai beroperasi penuh pada tahun 2000 dan diberhentikan dari operasi secara total pada tahun 2009. Selama beroperasi penuh AMANDA terpasang sebanyak 667 detektor yang terpasang pada 19 tali secara terpisah yang berbentuk array (barisan) sensor. AMANDA berhasil mendeteksi sekitar 1000 neutrino setiap tahun, hanya saja dari 1000 neutrino tersebut tidak ada satupun yang merupakan neutrino berasal dari kosmos jauh (ruang angkasa jauh). Semua neutrino yang berhasil dideteksi tersebut hanyalah berasal dari partikel-partikel kosmik biasa yang bertabrakan dengan atmosfer bumi^[9].

Setelah AMANDA beroperasi penuh pada tahun 2000, babak selanjutnya adalah memulai proses pembangunan IceCube yang diawali dari tahun 2004 hingga selesai pada tahun 2011. Pemasangan sensor pada IceCube dengan membuat lubang pada es berdiameter 60 cm sedalam 2.450 meter. Sensor dipasang sedalam hampir 2,5 kilometer tersebut bertujuan untuk mencegah gangguan sinar kosmis yang berinteraksi dengan atmosfer bumi. Pembuatan lubang untuk pemasangan sensor sebanyak 86 buah dan semua proses pemasangan instrumentasi ukur berupa sejumlah array sensor selesai tepat pada 18 Desember 2010, jam 6 sore waktu Selandia Baru.

Sensor-sensor yang digunakan pada proyek besar IceCube dirancang di Lawrence Berkeley National Laboratory, DESY-Zeuthen, dan UW–Madison. Setelah proses perancangan selesai sensor diuji di Universitas-universitas di Stockholm dan Uppsala di Swedia, DESY-Zeuthen di Jerman, dan di Lab Ilmu Fisika Stoughton, Wisconsin, Amerika Serikat. Secara keseluruhan proyek IceCube memakan dana sekitar $279 juta dolar US atau kalau dirupiahkan dengan kurs hari ini (14,491.00) sekitar 4 trilyun rupiah^[10].

Cara Kerja Detektor

Komponen yang terpasang pada IceCube terdiri dari 5.160 modul optik digital (DOM), masing-masing modul tersebut dilengkapi dengan tabung photomultiplier 10 inci berupa sensor cahaya dan juga dilengkapi dengan circuit elektronik. Modul optik digital terpasang pada tali didalam es secara vertikal yang terdiri dari 86 lubang, dan disusun lebih dari satu kubik kilometer pada kedalaman 1.450 meter hingga 2.450 meter dibawah permukaan es. Semua modul sensor terpasang pada tali di dalam lubang es membentuk grid secara heksagonal dengan jarak antar satu tali dalam satu lubang dengan tali pada lubang lainnya sejauh 125 meter dan untuk satu modul dengan modul lainnya dalam satu lubang terpasang sebanyak 60 buah modul dengan jarak antar modul dalam satu tali sejauh 17 meter.

Neutrino tidak dapat diamati secara langsung, tetapi ketika berinteraksi dengan es, menghasilkan partikel sekunder bermuatan listrik yang dapat memancarkan cahaya Cherenkov (warna biru seperti pada reaktor nuklir), sebagai akibat dari perjalanan menembus lapisan es lebih cepat daripada kecepatan cahaya di dalam es tersebut. Dari efek Cherenkov inilah kemudian sensor IceCube mengumpulkan cahaya tersebut, yang kemudian didigitalkan dan ditandai setiap waktu. Informasi yang dikirim oleh sensor secara digital tersebut dikirim ke komputer di IceCube Lab di permukaan es yang bertugas mengubah pesan dari satu modul sensor menjadi pola cahaya yang mengungkapkan arah datang dan jumlah energi muon dan neutrino^[11].

Selesai sudah pembahasan mengenai IceCube Nutrino Detector, tulisan ini dibuat sebagai pengantar pembahasan sebuah Blazar yang merupakan sumber neutrino berenergi tinggi yang sedang ramai dibicarakan oleh kalangan ilmuwan diseluruh Dunia. Selanjutnya penulis akan menceritakan mengenai bagaimana IceCube membawa kita menuju sebuah Blazar pada tulisan yang berbeda.

Referensi:

1.  Wolchover, Natalie. 2016. “Neutrinos Hear of Matter-Antimatter Rift“. Quantamagazine, 28 Juli 2016 (https://www.quantamagazine.org/do-neutrinos-explain-matter-antimatter-asymmetry-20160728/) diakses pada tanggal 20 Juli 2018
2. Moskvitch, Katia. 2017. “Neutrinos Suggest Solution to Mystery of Universe’s Existence“. Quantamagazine, 12 Desember 2017 (https://www.quantamagazine.org/neutrinos-suggest-solution-to-mystery-of-universes-existence-20171212/) diakses pada tanggal 20 Juli 2018
3. Nature, 2015 Nobel Prize in Physics (https://www.nature.com/collections/cnkfvzrtdq) diakses pada tanggal 21 Juli 2018
4. Wikipedia Inggris, Neutrino (https://en.wikipedia.org/wiki/Neutrino)  diakses pada tanggal 20 Juli 2018
5. Ismail, M. Afif. 2017. “Akankah Neutrino Merevolusi Teknologi? Simak Aplikasi Neutrino dalam Bidang Teknologi“. warstek, 26 November 2017 (https://warstek.com/2017/11/26/neu/) diakses pada tanggal 20 Juli 2018
6. Dadang, Wayan. 2017. “Ternyata Neutrino Dapat Dipakai Untuk Mengetahui Bagian Inti Bumi“. warstek, 28 Agustus 2017 (https://warstek.com/2017/08/28/neutrino/) diakses pada tanggal 20 Juli 2018
7. Schmitz, David W. 2016. “Viewpoint: Hunting the Sterile Neutrino“. American Physics Society, 8 Agustus 2018 (https://physics.aps.org/articles/v9/94) diakses pada tanggal 20 Juli 2018
8. University of Wisconsin-Madison, IceCube Explained (https://icecube.wisc.edu/about/overview) diakses pada tanggal 20 Juli 2018
9. Klein, Spencer. 2011. “IceCube: The Polar Particle Hunter“. IEEE Spectrum, 26 Januari 2011 (https://spectrum.ieee.org/aerospace/astrophysics/icecube-the-polar-particle-hunter) diakses pada tanggal 20 Juli 2018
10. University of Wisconsin Madison, Construction (https://icecube.wisc.edu/science/icecube/construction) diakses pada tanggal 20 Juli 2018
11. ___________________________________, Detector (https://icecube.wisc.edu/science/icecube/detector) diakses pada tanggal 20 Juli 2018