Hyper-Kamiokande: Detektor Neutrino Raksasa Jepang

Menangkap Sekilas Partikel Paling Sulit Ditangkap

Seiring kemajuan fisika fundamental, kita mulai lebih memahami partikel subatomik yang membentuk alam semesta kita.

Namun, masih ada beberapa pertanyaan yang belum terjawab, terutama teori fisika terpadu yang menggabungkan relativitas Einstein dan fisika kuantum. Sifat sebenarnya dari antimateri dan gravitasi kemungkinan merupakan potongan penting yang masih hilang.

Untuk mempelajarinya, diperlukan pemahaman yang lebih baik tentang jenis partikel yang sulit ditangkap yang disebut neutrino. Hal ini dapat segera tercapai berkat serangkaian eksperimen neutrino baru.

Sebelumnya kami membahas dua di antaranya: Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) dan Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

Proyek meganeutrino penting lainnya adalah Hyper‑Kamiokande Jepang, penerus dan versi skala besar dari Super‑Kamiokande, sebuah eksperimen sebelumnya yang merevolusi pemahaman kita tentang neutrino.

Sumber: Kamioka Observatory

Apa Itu Neutrino?

Neutrino adalah partikel netral secara listrik dengan massa yang sangat kecil, begitu kecil sehingga lama dianggap nol.

Saat ini, kita tidak tahu mengapa neutrino memiliki massa, kecuali bahwa tampaknya bekerja dengan cara yang berbeda dibandingkan partikel lain.

Yang membuat neutrino unik adalah mereka pada dasarnya adalah partikel “hantu”, hampir tidak berinteraksi dengan bentuk materi lain sama sekali. Hal ini karena neutrino hanya berinteraksi dengan 2 dari 4 gaya fundamental di alam semesta: gravitasi dan interaksi lemah.

Karena interaksi lemah memiliki jangkauan yang sangat pendek, dan gravitasi hampir tidak memengaruhi neutrino bermassa rendah, neutrino biasanya melewati materi tanpa berinteraksi atau melambat. Akibatnya, neutrino biasanya bergerak hampir pada kecepatan cahaya.

Neutrino adalah partikel fundamental yang tidak dapat dipecah menjadi komponen lebih kecil dan hadir dalam 3 varian: neutrino elektron, neutrino muon, dan neutrino tau. Untuk menambah kerumitan, neutrino tampaknya secara reguler beralih di antara ketiga varian tersebut.

Transisi di antara ketiga varian neutrino terkait dengan massa masing-masing tipe neutrino dan mengandung jawaban tentang sifat fundamental materi dan alam semesta itu sendiri.

Eksperimen osilasi dengan neutrino matahari, dengan neutrino atmosfer – serta dengan neutrino dari reaktor nuklir dan akselerator – telah memberikan bukti pertama untuk fisika di luar Model Standar fisika partikel.

Juga mungkin ada tipe ke‑4 neutrino^th yang disebut neutrino steril, yang hanya berinteraksi dengan materi melalui gravitasi, membuatnya bahkan lebih sulit dideteksi daripada yang lain.

Dan kemudian ada antineutrino, versi antimateri, yang bahkan kurang dipahami, dan yang akan menjadi fokus penting Hyper‑Kamiokande.

Sebagian besar neutrino dihasilkan oleh reaksi nuklir, mulai dari fusi nuklir di bintang hingga peluruhan radioaktif di inti Bumi.

Meskipun sulit ditangkap, neutrino diperkirakan menjadi partikel paling melimpah di alam semesta. Sekitar seribu triliun neutrino melewati tubuh kita setiap detik.

(Anda dapat mempelajari lebih lanjut tentang neutrino di situs khusus “all things neutrinos” yang dibuat oleh Fermilab).

Desain Hyper‑Kamiokande

Dari Kamiokande → Super‑K → Hyper‑K

Hyper‑Kamiokande adalah penerus Kamiokande dan Super‑Kamiokande, versi lebih kecil sebelumnya dari detektor neutrino yang dibangun di situs riset yang sama di Jepang, masing‑masing pada tahun 1983 dan 1996.

Kamiokande adalah observatorium pertama yang mendeteksi neutrino dari ledakan supernova dan dari Matahari kita, menciptakan bidang astronomi neutrino.

Super‑Kamiokande bertanggung jawab atas penemuan osilasi neutrino, menunjukkan bahwa neutrino memiliki massa.

Inti detektor Hyper‑Kamiokande terdiri dari tangki silinder dengan kedalaman air 71 m dan diameter 68 m. Ini akan menjadi tangki air bawah tanah terbesar di dunia.

Setiap iterasi konsep ini menjadi lebih besar dan lebih masif, membantu meningkatkan kualitas kemampuan deteksi neutrino. Misalnya, Kamiokande menggunakan 4.500 ton air, Super‑Kamiokande 50.000 ton, dan Hyper‑Kamiokande akan menggunakan 260.000 ton.

Sumber: Hyper‑Kamiokande

Pada dinding tangki air, 20.000 foto‑sensor ultra‑sensitif dan 1.000 foto‑sensor “mata majemuk” telah dipasang untuk mendeteksi cahaya Cherenkov yang sangat lemah yang dihasilkan di dalam air. Ini sekitar 4 × lebih banyak daripada di Super‑Kamiokande dan 40 × lebih banyak daripada Kamiokande.

Tabung fotomultiplier (PMT) seperti sensor (piksel) kamera ultra‑performan. Berkat ini, Hyper‑Kamiokande menjadi kamera raksasa yang dapat menangkap bahkan satu foton sekalipun. Sensitivitasnya begitu tinggi sehingga dapat menangkap cahaya senter di permukaan bulan.

Hasil ini dicapai berkat desain foto‑sensor yang ditingkatkan, yang dapat menahan tekanan air dua kali lipat dan memiliki setengah aktivitas radioaktif latar belakang residual dibandingkan versi sebelumnya.

Water Cherenkov: Mengubah Jejak menjadi Cahaya

Konsep kunci seri observatorium Kamiokande adalah “detektor water Cherenkov”. Ia mendeteksi cahaya kebiruan lemah yang dipancarkan oleh partikel bermuatan yang bergerak melalui air lebih cepat daripada kecepatan cahaya di dalam air (yang lebih rendah daripada di udara atau vakum).

Ketika neutrino menabrak atom‑atom dalam air, mereka menciptakan partikel bermuatan serta radiasi Cherenkov dalam bentuk kerucut sepanjang lintasannya.

Waktu dan intensitas sinyal cahaya digunakan untuk merekonstruksi properti partikel asli.

Membangun di Bawah Tanah

Hyper‑Kamiokande dibangun di bawah gunung untuk mengurangi interferensi dari partikel lain selain neutrino. Sinar kosmik, radioaktivitas, dan interferensi lain dapat menghasilkan sinyal serupa dengan neutrino yang menabrak molekul air.

Setelah berada di lapisan batuan yang dalam, dampak sumber energi lain menjadi dapat diabaikan, meninggalkan hanya neutrino yang sulit ditangkap sebagai penyebab yang mungkin.

Sumber: Hyper‑Kamiokande

Alasan volume air yang masif adalah karena neutrino sangat jarang berinteraksi dengan materi. Jadi semakin “massa reaktif” yang besar, semakin besar peluang terjadinya interaksi yang dapat dideteksi.

Untuk lebih meningkatkan peluang reaksi dengan neutrino yang melintas, gadolinium larut dalam bentuk gadolinium sulfat oktahidrat ditambahkan ke dalam air dengan konsentrasi 0,01 % gadolinium berdasarkan berat.

Sumber: Hyper‑Kamiokande

Ketika neutrino berinteraksi dengan air, ia dapat menghasilkan neutron. Atom gadolinium kemudian menangkap neutron tersebut berkat penampang penangkapan neutron yang besar, memancarkan sinar gamma yang dapat dideteksi.

Sumber: Hyper‑Kamiokande

Gadolinium secara alami terdapat di tanah Jepang dengan konsentrasi sekitar 3 hingga 7 ppm, sehingga proyek ini tidak dianggap menimbulkan risiko pencemaran akibat kebocoran air.

J‑PARC Beam + Sumber Alami

Selain neutrino alami seperti neutrino atmosfer dan neutrino matahari, berkas neutrino berintensitas tinggi dan berkualitas tinggi dari akselerator partikel J‑PARC di Tokai akan digunakan.

Hyper‑Kamiokande diperkirakan akan mengamati 20 × lebih banyak neutrino dibandingkan eksperimen sebelumnya setelah peningkatan daya berkas J‑PARC. Hyper‑Kamiokande dan J‑PARC berjarak 295 km (183 mil), jarak yang cukup untuk mempelajari peralihan dari satu tipe neutrino ke tipe lainnya.

Sumber: Hyper‑Kamiokande

Setiap detektor Hyper‑Kamiokande dibagi menjadi “Inner Detector” dan “Outer Detector”, yang dipisahkan secara optik satu sama lain.

Sumber: Hyper‑Kamiokande

Inner Detector adalah detektor utama, sementara peran Outer Detector adalah menolak muon sinar kosmik yang masuk dan menjadi bagian dari latar belakang dalam pengukuran peluruhan nukleon dan neutrino. Lebih dari 99,9 % muon sinar kosmik yang mencapai detektor dihilangkan, setelah sebelumnya sudah sangat disaring oleh gunung di atas.

(Untuk mempelajari lebih lanjut tentang desain Hyper‑Kamiokande, Anda juga dapat merujuk pada laporan desain resmi lengkap 282 halaman ini.)
Geser untuk menggulir →

Catatan: Massa/ukuran & PMT serta muon‑veto diambil dari halaman Hyper‑K/SK; angka SK‑Gd diambil dari dokumen SK‑Gd.

Jadwal Hyper‑Kamiokande

Proyek ini disetujui pada tahun 2020, dan penggalian terowongan dimulai pada tahun 2021, bersamaan dengan produksi massal tabung fotomultiplier.

Penggalian gua utama detektor selesai pada Juni 2025.

Sumber: Hyper‑Kamiokande

Sejak itu, konstruksi observatorium itu sendiri telah dimulai, dengan pengamatan pertama diperkirakan pada tahun 2028.

Perlu dicatat bahwa meskipun kompleks dan sangat kuat, desain ini pada akhirnya kini dipahami dengan baik, dan dibangun relatif cepat bila dibandingkan dengan megaproject fisika fundamental lainnya dan teleskop generasi berikutnya.

Tujuan Hyper‑Kamiokande

Tujuan utama Hyper‑Kamiokande adalah menjelaskan sejarah evolusi alam semesta dan Teori Grand Unified fisika, yang menyatukan semua gaya fundamental alam semesta ke dalam satu persamaan umum, situasi yang diperkirakan pernah ada selama 0.00000000001 detik setelah Big Bang.

Sumber: Hyper‑Kamiokande

Neutrino Matahari & Supernova — dan Pencarian Materi Gelap

Berbekal massa dan efisiensi yang lebih besar, Hyper‑Kamiokande akan dapat mendeteksi jauh lebih banyak neutrino yang berasal dari Matahari kita dan bintang-bintang yang meledak jauh.

Dengan mengamati tipe khusus neutrino, ia akan dapat lebih memahami reaksi fusi Matahari dan melakukan pengamatan pertama terhadap fluks neutrino HEP berenergi tinggi.

Supernova adalah sumber neutrino besar lainnya di langit, menghasilkan ledakan masif saat mereka meledak. Pada 23 Februari 1987, Kamiokande mengamati neutrino dari ledakan supernova yang terjadi di Large Magellanic Cloud (MCLOUD.BO ).

Sumber: Shio’s HP

Sayangnya, tidak ada ledakan supernova yang terjadi selama pengalaman dengan Super‑Kamiokande.

Berkat jangkauan deteksi yang lebih luas, Hyper‑Kamiokande jauh lebih mungkin menangkap ledakan supernova. Jika supernova terjadi di galaksi kita (10 kpc), Hyper‑Kamiokande akan dapat mendeteksi sekitar 50.000 neutrino.

Hal ini akan memberi para ilmuwan petunjuk tidak hanya tentang mekanisme detail ledakan supernova, tetapi juga untuk lebih menjelaskan sifat neutrino.

Hyper‑K dan DUNE hampir sempurna saling melengkapi dalam sensitivitas terhadap neutrino supernova, dengan DUNE mendeteksi νₑ (melalui penyebaran pada argon) dan Hyper‑K ν̅ₑ (melalui peluruhan beta terbalik).

Hyper‑Kamiokande bahkan mungkin dapat mendeteksi latar belakang neutrino supernova difus, yang berasal dari ledakan supernova sangat jauh yang telah mengakumulasi fluks neutrino selama seluruh sejarah alam semesta.

Radiasi khusus ini akan terutama terdeteksi berkat penambahan gadolinium ke dalam detektor (peluruhan beta terbalik, alih‑alih hanya neutrino peluruhan muon).

Akhirnya, materi gelap juga dapat menjadi penyebab produksi neutrino. Jadi jika sumber neutrino semacam itu terdeteksi di tempat dengan konsentrasi materi gelap tinggi, seperti pusat galaksi, hal itu dapat membantu menjelaskan sifat materi gelap.

Pencarian Peluruhan Proton

Peluruhan sesekali proton menjadi partikel subatomik yang lebih ringan, seperti pion netral dan positron, adalah sesuatu yang telah coba dibuktikan dan diukur fisikawan sejak pembangunan Kamiokande asli.

Secara khusus, Hyper‑Kamiokande akan dapat mendeteksi sinar gamma 2,2 MeV dari penangkapan neutron pada hidrogen, yang akan menjadi peristiwa deteksi yang berbeda dari yang disebabkan oleh neutrino.

Jika detektor mengukur peluruhan proton, hal itu tidak hanya membuktikan bahwa peluruhan terjadi, tetapi juga membantu memperkirakan laju peluruhan tersebut, yang telah direvisi naik ketika tidak ada yang terdeteksi oleh Super‑Kamiokande, serta cara mereka meluruh.

Jika tetap tidak ada yang terdeteksi, ini akan memaksa fisikawan mencari tahu mengapa proton meluruh bahkan lebih sedikit daripada yang diperkirakan sebelumnya, atau mungkin tidak sama sekali.

Tidak ada yang tahu jawaban kapan peluruhan proton dapat diamati atau apakah ia pernah benar‑benar runtuh pada awalnya. Namun, kita tidak dapat maju tanpa benar‑benar melakukan eksperimen tersebut.

Saya percaya bahwa proton meluruh. Kami berharap pembaca menantikan hari ketika peluruhan proton ditemukan.

Dr. Masato Shiozawa, co‑spokesperson Hyper‑Kamiokande.

CP Violation: Mengapa Materi Menang

Pada asal mula alam semesta, fisikawan berpikir bahwa jumlah materi dan antimateri yang sama tercipta.

Osilasi neutrino dapat berbeda dari osilasi antineutrino, fenomena hipotetik yang disebut CP violation, atau kerusakan Simetri Charge conjugation‑Parity (CP).

Sumber: Hyper‑Kamiokande

CP violation telah dikonfirmasi untuk kuark (konstituen proton dan neutron). Namun, hal ini saja hanya satu triliun bagian dari perbedaan yang diperlukan untuk menciptakan alam semesta saat ini.

Neutrino dan antineutrino yang dibuat di akselerator partikel J‑PARC akan menjadi kunci untuk eksperimen ini.

Hyper‑Kamiokande berencana meningkatkan intensitas berkas J‑PARC ini sebesar faktor 2,5 dibandingkan Super‑Kamiokande, untuk mengurangi kesalahan akibat data yang tidak cukup dan meningkatkan jumlah pengukuran demi meningkatkan keandalan.

Diperkirakan dalam 10 tahun akan dapat menentukan apakah simetri CP pecah atau tidak untuk neutrino, dengan hasil pada tahun 2030‑an.

Kesimpulan

Observatorium neutrino seperti Hyper‑Kamiokande, DUNE, dan JUNO kemungkinan akan menjadi eksperimen ilmu penting untuk akhirnya memecahkan pertanyaan mengenai fisika yang belum terjawab selama puluhan tahun, dan yang menghambat pengembangan kemajuan lebih lanjut dalam fisika teoretis.

Meskipun hal ini terdengar agak jauh dari kepedulian harian kita, banyak teknologi mutakhir kita sebenarnya membutuhkan pemahaman yang lebih baik tentang neutrino untuk berkembang.

Misalnya, sebuah chip komputasi kuantum (Majorana‑1) yang baru‑baru ini dibangun oleh Microsoft(MSFT )

secara harfiah menciptakan keadaan materi baru (topokonduktor) menggunakan partikel Majorana, sejenis partikel yang merupakan antipartikel dirinya sendiri.

Dengan cara yang sama, pemahaman yang lebih baik tentang reaksi fusi Matahari dapat membantu kita membuka fusi buatan.

Jadi pemahaman yang lebih baik tentang neutrino, antimateri, atau materi gelap bukan hanya proyek ilmu raksasa, tetapi dapat memiliki aplikasi langsung yang sangat signifikan dalam pengembangan teknologi baru yang mengubah dunia seperti komputasi kuantum atau pembangkit listrik fusi.

Berinvestasi dalam Ilmu Neutrino

1. Microsoft

Microsoft adalah salah satu perusahaan teknologi terbesar di dunia, memiliki hampir monopoli pada sistem operasi, dan posisi sangat kuat pada perangkat lunak B2B, melalui perangkat lunak Office365, sistem komputasi awan Azure, media sosial LinkedIn, serta kehadiran kuat dalam video game (Xbox dan banyak studio video game terbesar dunia), iklan, dan alat pemrograman (GitHub).

Perusahaan ini juga sangat aktif dalam AI, terutama dengan penerapan Copilot AI di semua produknya. Upaya AI Microsoft awalnya melalui kolaborasi dengan OpenAI, dan kini lebih mandiri.

Sumber: Microsoft

Microsoft juga aktif dalam komputasi kuantum, dengan pengumuman menakjubkan tentang chip Majorana‑1.

Ketika didinginkan mendekati nol mutlak dan disetel dengan medan magnet, perangkat ini membentuk nanokabel superkonduktor topologis, mengandung apa yang disebut Majorana Zero Modes (MZM) di ujung‑ujung kawat.

Sumber: Microsoft

(Anda dapat membaca lebih lanjut tentang semua aktivitas bisnis dan peluang Microsoft dalam laporan investasi khusus kami tentang perusahaan ini.)

2. Neutrino Energy

Walaupun kaya akan potensi aplikasi masa depan, ilmu neutrino tampaknya masih jauh dari penggunaan komersial langsung.

Hal ini dapat berubah, menurut sebuah startup swasta Jerman yang sangat ambisius, Neutrino Energy.

Perusahaan ini mengeksplorasi konsep baru yang sangat inovatif yaitu neutrinovoltaik, atau menghasilkan listrik dari fluks konstan neutrino di sekitar kita. Cara kerjanya adalah dengan menggunakan lapisan graphene, bahan 2D yang terbuat dari karbon (ikuti tautan untuk penjelasan lengkap tentang bahan 2D seperti graphene atau goldene).

Metode ini bertujuan mengubah gerakan konstan atom graphene, yang dipengaruhi oleh radiasi dan partikel di sekitarnya seperti neutrino, menjadi listrik yang dapat digunakan. Meskipun menjanjikan secara teori, proses ini masih belum terbukti dan tetap sangat eksperimental.. Fenomena serupa terjadi pada graphene, dengan neutrino “mendorong” inti atom, seperti pada atom argon di detektor neutrino DUNE.

Perusahaan telah mengumumkan prototipe pertama yang akan datang, disebut Powercube, yang seharusnya mendemonstrasikan teknologi yang dikembangkan dengan bantuan AI.

Perusahaan juga telah bekerja sama dengan Centre for Materials for Electronics Technology (CMET) di India, dengan tujuan “menciptakan kendaraan listrik yang dapat mengisi daya sendiri menggunakan teknologi neutrinovoltaik”.

Sulit untuk menilai seberapa dekat konsep ini dengan komersialisasi, karena tampaknya untuk saat ini hanya sebuah konsep dengan sedikit informasi tentang potensi output daya atau ekonominya.

Hal ini juga sangat luar biasa dalam klaimnya tentang sumber energi tak terbatas tanpa bahan bakar sehingga diperlukan skeptisisme yang kuat, terutama mengingat tingkat interaksi neutrino dengan materi lain yang sangat rendah.

Namun ini jelas merupakan yang terdekat dengan “perusahaan neutrino” yang ada di pasar saat ini, dengan risiko presentasi teknologi yang menipu harus diingat oleh calon investor.