Mengenal Partikel Elementer (bagian 5) : Lepton 3 : Neutrino

Neutrino

Neutrino adalah partikel elementer. Ia memiliki spin setengah bulat dan oleh karena itu termasuk fermion. Massanya sangat kecil bila dibandingkan dengan kebanyakan partikel lain, meskipun eksperimen baru-baru ini (lihat Super-Kamiokande, Sudbury Neutrino Observatory dan KamLAND) menunjukkan bahwa massanya tidak nol. Karena ia secara kelistrikan netral, neutrino berinteraksi tidak dengan gaya kuat atau gaya elektromagnetik, tetapi hanya melalui gaya lemah dan gaya interaksi gravitasi.
Dikarenakan kenyatakan bahwa tampang lintang dalam interaksi nuklir lemah adalah sangat kecil, neutrino dapat menembus materi tak terintangi. Untuk neutrino khas yang dihasilkan oleh matahari (energinya beberapa MeV), ia akan mengambil sekitar satu tahun cahaya (~1016 m) yang didorong kearah menghalangi separuh di antara mereka.
Deteksi neutrino dapat oleh karenanya ditantang dengan mensyaratkan volume deteksi yang besar atau berkas neutrino intensitas tinggi buatan.

Tipe Neutrino

Terdapat tiga tipe neutrino yang dikenal (cita rasa - flavor): neutrino elektron, neutrino muon dan neutrino tau, dinamai setelah pasangan mereka lepton dalam Model Standar.
Pengukuran terbaik arus dari jumlah tipe neutrino berasal dari pengamatan peluruhan boson Z. Partikel ini dapat meluruh menjadi sembarang neutrino dan antineutrinonya, dan lebih banyak tipe neutrino yang ada, lebih pendek waktu hidup boson Z.
Pengukuran terakhir meletakkan jumlah tipe neutrino ringan (dimana "ringan" berarti memiliki massa lebih kecil daripada setengah massa Z) pada 2.984±0.008.
Kemungkinan neutrino steril - neutrino yang tidak berperan serta dalam interaksi lemah tetapi yang dapat diciptakan melalui osilasi cita rasa - tidak dipengaruhi oleh pengukuran berbasis boson Z ini.
Hubungan antara enam - yang saat ini dikenal - quark dalam Model Standard dan enam lepton, di antara mereka tiga neutrino, menyediakan bukti tambahan bahwa terdapat seharusnya tiga tipe secara pasti. Akan tetapi, bukti konklusif bahwasannya terdapat hanya tiga jenis neutrino menyisakan sebuah tujuan terabaikan dari fisika partikel.

Osilasi Cita Rasa

Neutrino selalu diciptakan atau dideteksi dengan cita rasa yang terdefinisi dengan baik (elektron, muon, tau). Akan tetapi, di dalam fenomena yang dikenal sebagai osilasi cita rasa neutrino, neutrino dapat berosilasi antara tiga cita rasa yang ada ketika mereka menjalar melalui ruang.
Secara khusus, hal ini terjadi karena keadaan eigen cita rasa neutrino bukanlah keadaan eigen Hamiltonian penjalaran. Ini memperkenankan neutrino yang dihasilkan sebagai neutrino elektron pada suatu tempat yang diberikan memiliki probabilitas yang dapat dihitung terdeteksi sebagai neutrino muon atau neutrino tau setelah ia menjalar ke tempat lain.
Efek ini pertama kali dinyatakan dalam kaitan dengan jumlah neutrino elektron yang dideteksi dari inti matahari gagal untuk memenuhi jumlah yang diharapkan, bertentangan dengan "soal neutrino matahari". Keberadaan osilasi cita rasa mengimplikasikan massa neutrino tak nol, karena jumlah campuran antara cita rasa neutrino sebanding dengan perbedaan kuadrat massanya (nol untuk neutrino tak bermassa).
Disamping asal massa neutrino, adalah mungkin bahwa neutrino dan antineutrino dalam fakta partikel yang sama, sebuah dugaan pertama kali diajukan oleh fisikawan Italia Ettore Majorana.

Sejarah

Neutrino pertama kali dipostulatkan pada tahun 1931 oleh Wolfgang Pauli untuk menjelaskan spektrum energi peluruhan beta, peluruhan neutron menjadi proton dan sebuah elektron. Pauli mengajukan teori bahwa sebuah partikel tak terdeteksi membawa beda teramati antara energi dan momentum sudut dari partikel awal dan partikel akhir.
Karena sifat-sifat "hantu" neutrino, deteksi eksperimental pertama-tama dari neutrino harus menunggu hingga sekitar 25 tahun setelah didiskusikan pertama kalinya.
Pada tahun 1956 Clyde Cowan, Frederick Reines, F.B. Harrison, H.W. Kruse dan A.D. McGuire mempublikasikan artikel yang berjudul "Deteksi Neutrino Bebas: Sebuah Penegasan" dalan Sains, sebuah hasil yang dianugerahi dengan hadiah Nobel pada tahun 1995.
Nama neutrino diusulkan oleh Enrico Fermi - yang mengembangkan teori awal yang mendeskripsikan interaksi neutrino - sebagai sebuah permainan kata dari neutrone, nama Italia dari neutron.
(Neutrone dalam bahasa Italiabermakna besar dan netral, dan neutrino bermakna kecil dan netral.)
Pada tahun 1962 Leon M. Lederman, Melvin Schwartz dan Jack Steinberger menunjukkan bahwa lebih dari satu neutrino yang ada dengan pertama - tama mendeteksi interaksi-interaksi neutrino muon. Ketika tipe ketiga lepton, yakni neutrino tau ditemukan pada tahun 1975 di Stanford Linear Accelerator, adalah begitu diharapkan untuk memiliki neutrino terkait.
Bukti pertama untuk tipe neutrino ketiga ini berasal dari pengamatan hilangnya energi dan momentum dalam peluruhan tau analog terhadap peluruhan beta yang memandu pada penemuan neutrino dalam tempat pertama.
Deteksi pertama dari interaksi neutrino tau nyata diumumkan pada musim panas tahun 2000 oleh kolaborasi DONUT di Fermilab, membuatnya menjadi partikel terakhir dalam Model Standard yang secara langsung teramati.
Kesulitan dalam pendeteksian neutrino diilustrasikan oleh Richard Feynman. Ia mengatakan, "Seluruh yang harus Anda lakukan adalah membayangkan sesuatu yang secara praktis tak ada. Anda dapat menggunakan menantu Anda sebagai prototipe".

Massa Neutrino

Model Standard dalam fisika partikel mengasumsikan bahwa neutrino tak bermassa, meskipun penambahan neutrino bermassa terhadap kerangka kerja dasar tidak sulit.
Sungguh-sungguh, fenomena yang mapan secara eksperimen dari osilasi neutrino mensyaratkan massa neutrino tak nol. Batas atas terkuat massa neutrino berasal dari kosmologi.
Model Big Bang memprediksi bahwa terdapat perbandingan yang tetap antara jumlah neutrino dan jumlah foton dalam gelombang kosmis latar belakang. Jika massa total dari seluruh tiga tipe neutrino melebihi 50 elektron volt (tiap neutrino), terdapat begitu banyak massa dalam alam semesta yang akan menyebabkan alam semesta runtuh.
Batas ini dapat dibelitkan dengan mengasumsikan bahwa neutrino adalah tak stabil; akan tetapi, terdapat batas-batas dalam Model Standard yang membuat hal ini menjadi sulit.

Fenomena Kosmologi

Neutrino adalah produk penting dari supernova. Paling banyak energi yang dihasilkan dalam supernova diradiasikan dalam bentuk kerkahan tak terukur dari neutrino, yang mana dihasilkan ketika proton dan elektron dalam inti terkombinasi membentuk neutron.
Bukti eksperimen pertama dari fenomena ini datang pada tahun 1987, ketika neutrino datang dari supernova terdeteksi.
Dalam peristiwa-peristiwa demikian, densitas inti menjadi begitu tinggi (1014 g/cm3) dimana interaksi antara neutrino yang dihasilkan dan materi sekeliling bintang menjadi penting.
Dipikirkan bahwa neutrino akan dihasilkan juga dari peristiwa-peristiwa lain semisal tumbukan bintang-bintang neutron.
Karena neutrino berinteraksi sedemikian kecil dengan materi, dipikirkan bahwa emisi neutrino supernova membawa informasi tentang daerah paling dalam dari ledakan.
Banyak cahaya nampak datang dari peluruhan elemen-elemen radioaktif yang dihasilkan oleh gelombang kejut supernova, dan bahkan cahaya dari ledakan itu sendiri dihamburkan oleh gas rapat dan turbulensi.
Neutrino pada sisi lain, melewati gas-gas ini, menyediakan informasi tentang inti supernova (dimana kerapatan adalah cukup besar untuk memengaruhi sinyal neutrino). Lebih jauh, retakan neutrino diharapkan untuk mencapai bumi sebuah sembarang gelombang elektromagnetik, mencangkup cahaya nampak, sinar gamma atau gelombang radio.
Penundaan waktu tertentu tidak diketahui, tetapi untuk supernova tipe II, ahli astronomi mengharapkan banjir neutrino dilepaskan berdetik-detik setelah keruntuhan inti bintang, sementara sinyal elektromagnetik pertama mungkin berjam-jam atau berhari-hari kemudian. Proyek SNEWS menggunakan sebuah jaringan detektor neutrino untuk memonitor langit bagi peristiwa-peristiwa calon supernova; diharapkan sinyal neutrino akan menyediakan sebuah peringatan lanjut yang berguna dari bintang yang meledak.

Deteksi neutrino

Neutrino dapat berinteraksi melalui arus netral (mencangkup pertukaran boson Z) atau arus muatan (mencangkup pertukaran boson W) interaksi lemah.
Dalam interaksi arus netral, neutrino meninggalkan detektor setelah memindahkan sebagian energinya dan momentum terhadap partikel sasaran. Seluruh tiga cita rasa neutrino dapat berperan serta tanpa melihat energi neutrino. Akan tetapi, tak ada informasi cita rasa neutrino tertinggal.
Dalam interaksi arus bermuatan, neutrino mentransformasi menjadi lepton pasangannya (elektron, muon, atau tau). Akan tetapi, jika neutrino tak memiliki energi yang cukup untuk menciptakan massa pasangan lebih beratnya, interaksi arus bermuatan tak tersedia baginya. Neutrino reaktor dan neutrino matahari memiliki cukup energi untuk menciptakan elektron.
Kebanyakan berkas neutrino berbasis akselerator dapat juga menciptakan muon, dan sedikit darinya menciptakan partikel tau. Sebuah detektor yang dapat membedakan antara lepton-lepton ini dapat mengungkapkan cita rasa neutrino datang dalam interaksi arus bermuatan. Karena interaksi mencangkup pertukaran boson bermuatan, partikel sasaran juga berubah karakter (misalnya, neutron ? proton).
Antineutrino pertama kali dideteksi pada tahun 1953 dekat reaktor nuklir. Reines dan Cowan menggunakan dua sasaran mengandung solusi kadmium klorida dalam air. Dua detektor skintilasi ditempatkan berikutnya terhadap sasaran kadmium.
Interaksi arus bermuatan antineutrino dengan proton dalam air menghasilkan positron dan neutron. Anihilasi positron hasil dengan elektron menciptakan foton dengan energi sekitar 0,5 MeV.
Pasangan foton yang bersesuaian dapat dideteksi dengan dua detektor skintilasi di atas dan di bawah sasaran. Neutron ditangkap oleh inti kadmium dihasilkan dalam sinar gamma sekitar 8 MeV yang dideteksi beberapa mikrodetik setelah foton dari peristiwa pelenyapan positron.
Detektor klorin terdiri dari sebuah tangki terisi dengan karbon tetraklorida. Sebuah neutrino mengubah sebuah atom klorin menjadi salah satu argon melalui interaksi arus bermuatan.
Fluida secara peiodik dibersihkan dengan gas helium yang akan memindahkan argon. Detektor klorin terdahulu Homestake Mine dekat Lead, South Dakota, mengandung 520 tangki pendek (470 metrik ton) fluida, membuat pengukuran pertama dari defisit neutrino elektron dari matahari (lhat problem neutrino matahari). Detektor sejenis didesain menggunakan sebuah galium transformasi germanium yang sensitif terhadap neutrino energi rendah.
Metode deteksi kimia adalah berguna hanya untuk menghitung neutrino; tak ada arah neutrino atau informasi energi yang tersedia.
Detektor "bayang-cincin" mengambil keuntungan cahaya Cherenkov yang dihasilkan oleh partikel bermuatan yang bergerak melalui sebuah mdium lebih cepat daripada kecepatan cahaya dalam medium tersebut. Dalam detektor ini, sebuah volue besar material bening (misal, air) dikelilingi oleh tabung pengganda cahaya sensitif cahaya.
Sebuah lepton bermuatan dihasilkan dengan energi yang cukup menciptakan cahaya Cherenkov yang meninggalkan sebuah pola karakteristik seperti cincin dari aktivitas pada susunan tabung pengganda cahaya. Pola ini dapat digunakan untuk menduga arah, energi, dan (kadang-kadang) informasi cita rasa tentang neutrino datang.
Dua detektor berisi air dari tipe ini (Kamiokande dan IMB) merekam pancaran neutrino dari supernova 1987a. Detektor terbesar demikian adalah Super-Kamiokande berisi air.
Observatorium Neutrino Sudbury (SNO) menggunakan air berat. Dalam tambahan interaksi neutrino tersedia dalam sebuah detektor air reguler, deuterium dalam air berat dapat diuraikan oleh neutrino.
Neutron bebas yang dihasilkan adalah yang berikutnya ditangkap, memancarkan semprotan sinar gamma yang mana dideteksi. Seluruh tiga cita rasa neutrino berpartisipasi secara sama dalam reaksi disosiasi ini.
Detektor MiniBooNE menggunakan minyak mineral murni sebagai medium deteksinya. Minyak mineral adalah skintilator alami, sehingga patikel bermuatan tanpa energi yang cukup untuk menghasilkan cahaya Cherenkov masih dapat menghasilkan cahaya skintilasi. Ini memperkenankan muon dan proton energi rendah, tak nampak di air, menjadi terdeteksi.
Kalorimeter jejak semisal detektor MINOS, gunakan bidang bolak-balik dari material absorber dan material detektor.
Bidang absorber menyediakan massa detektor sementara bidang detektor menyediakan informasi jejak. Baja adalah sebuah pilihan absorber populer, menjadi rapat relatif dan tak mahal dan memiliki keuntungan yang dapat dimagnetisasi.
Nova mengajukan saran penggunaan papan partikel sebagai cara yang murah mempeoleh jumlah yang besar dari kerapatan massa yang kecil.
Detektor aktif seringkali adalah skintilator plastik atau cairan, dibaca dengan jelas menggunakan tabung pembesar foto, meskipun berbagai jenis bak ionisasi juga telah digunakan. Kalorimeter penjejak hanya berguna untuk neutrino energi tinggi (skala GeV). Pada energi-energi ini, interaksi arus netral muncul sebagai penunjuk jejak hadron dan interaksi arus bermuatan diidentifikasi dengan kehadiran jejak lepton bermuatan (mungkin sepanjang bentuk jejak hadron).
Muon dihasilkan dalam interaksi arus bermuatan yang meninggalkan jejak tembus yang panjang dan mudah untuk ternoda. Panjang jejak muon ini dan kelengkungannya dalam medan magnetik menyediakan informasi energi dan muatan (µ + terhadap µ -).
Sebuah elektron dalam detektor menghasilkan "gerimis" elektromagnetik yang dapat dibedakan dari "gerimis" hadron jika granularas dari detektor aktif adalah kecil dibandingkan dengan luasan fisis "gerimis".
Lepton tau meluruh secara esensial dengan segera terhadap kedua pion atau lepton bermuatan lain, dan tak dapat diamati secara langsung dalam jenis detektor ini.
(Untuk mengamati secara langsung tau, pengamat secara khas mencari sebuah kink dalam jejak di emulsi fotografi.)
Kebanyakan eksperimen neutrino harus mengalamatkan fluks sinar kosmis yang membombardir permukaan bumi. Eksperimen neutrino energi lebih tinggi (di atas 50 MeV) seringkali mencangkup atau meliputi detektor utama dengan sebuah detektor "veto" yang mengungkapkan ketika sinar kosmis melewati detektor utama, memperkenankan aktivitas yang bersesuaian dalam detektor utama diabaikan ("diveto"). Untuk eksperimen energi rendah, sinar kosmis tidaklah secara langsung suatu masalah.
Sebagai ganti, neutron-neutron spalasi dan radioisotop yang dihasilkan oleh sinar kosmis dapat menyerupai sinyal fisika yang dihasilkan. Untuk eksperimen ini, solusi adalah menempatkan detektor di kedalaman bawah tanah sehingga bumi di atasnya dapat mengurangi laju sinar kosmis hingga tingkat yang dapat ditoleransi.