Observatorium JUNO: Membuka Rahasia Massa Neutrino

Menangkap Sekilas Partikel Paling Sulit Ditemukan

Fundamental physics has always relied on a mix of theory and experiments to progress our understanding of the Universe.

Hingga saat ini, salah satu pertanyaan paling sulit dijawab adalah tentang sifat fundamental gravitasi dan gaya yang mengarahkan alam semesta. Sudah lama diketahui bahwa jawabannya kemungkinan terletak pada partikel yang sulit ditangkap dan hampir tidak dapat dipelajari: neutrino.

Pemahaman yang lebih dalam tentang sifat neutrino mungkin segera tercapai berkat megaproject China: JUNO, atau Jiangmen Underground Neutrino Observatory.

Ini adalah fasilitas besar, melibatkan kerja sama internasional yang luas dan bertahun-tahun dalam pembuatannya.

Ini harus melengkapi hasil Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), sebuah detektor neutrino Amerika yang mengukur neutrino melalui 800 mil bumi (ikuti tautan untuk penjelasan lengkap tentang megaproject ini).

Sumber: DUNE

Apa Itu Neutrino?

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

Saat ini, kita tidak tahu mengapa neutrino memiliki massa, kecuali bahwa tampaknya beroperasi 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. Ini karena neutrino hanya berinteraksi dengan 2 dari 4 gaya fundamental di alam semesta: gravitasi dan interaksi lemah.

Karena interaksi lemah memiliki jangkauan 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 ini.

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 bahwa sebuah^ke-4 tipe neutrino ada juga, neutrino steril, yang hanya berinteraksi dengan materi melalui gravitasi, membuatnya lebih sulit dideteksi daripada yang lain.

Sebagian besar neutrino dihasilkan oleh reaksi nuklir, mulai dari fusi nuklir di bintang hingga peluruhan radioaktif di pusat Bumi. Dan di dalam reaktor nuklir buatan manusia, fakta ini penting untuk desain JUNO.

Meskipun sulit ditangkap, neutrino diperkirakan merupakan 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 “semua hal tentang neutrino” yang dibuat oleh Fermilab.)

 Tujuan JUNO – Menentukan Hierarki Neutrino

JUNO dibangun khusus untuk menjawab pertanyaan tentang “hierarki massa neutrino”, pertanyaan tentang tipe neutrino mana yang memiliki berat mana.

Sumber: Berkeley Lab

Ini masih belum jelas, meskipun massa neutrino telah diukur, karena yang sebenarnya diukur adalah “kuadrat massa” partikel. Akibatnya, matematika memungkinkan 2 solusi berbeda untuk hasil yang diamati, yaitu hierarki normal atau terbalik.

“Kami berharap dapat mempelajari bagaimana lepton” — elektron dan kerabatnya — muncul pada saat-saat setelah Big Bang, proses yang dapat menjelaskan mengapa ada lebih banyak materi daripada antimatari di alam semesta.

Menjawab pertanyaan fundamental seperti itu hanya akan mungkin jika nilai istilah yang disebut “sudut pencampuran neutrino theta satu tiga,” ditulis θ₁₃, ternyata lebih dari nol.

Kam-Biu Luk – Profesor fisika di UC Berkeley.
Geser untuk menggulir →

Desain JUNO

Penerus Eksperimen Neutrino Reaktor Daya Bay

Pekerjaan lanjutan JUNO dilakukan di Eksperimen Neutrino Reaktor Daya Bay, yang pada saat itu dilaksanakan bekerja sama dengan Departemen Energi AS, pada masa kolaborasi ilmiah dengan China kurang kontroversial.

Sumber: Wikipedia

Setelah penemuan pemenang Nobel sekitar tahun 2000 tentang fenomena osilasi neutrino atmosfer dan matahari, fasilitas Daya Bay menemukan mode osilasi neutrino baru untuk pertama kalinya pada 2012, dengan mengukur secara tepat sudut theta-13 yang disebutkan sebelumnya, tepat seperti yang dirancang.

Penemuan ini menyelesaikan kerangka teoretis osilasi neutrino. Itu juga memberikan panduan bagi eksperimen generasi berikutnya dalam menentukan urutan massa neutrino.

Memilih Lokasi yang Tepat

Detektor Daya Bay dirancang untuk mendeteksi neutrino yang dihasilkan oleh Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Daya Bay dan Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Ling Ao.

Sumber: ResearchGate

Awalnya, JUNO akan dibangun di lokasi terdekat. Namun, pembangunan reaktor nuklir ketiga (Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Lufeng) akan mengganggu eksperimen, karena bergantung pada menjaga jarak tetap ke reaktor nuklir terdekat.

Jadi, sebaliknya, dibangun di situs 53 km (33 mil) dari kedua pembangkit listrik tenaga nuklir Yangjiang dan Taishan.

Sumber: ResearchGate

Alasannya mengapa jarak ke pembangkit listrik tenaga nuklir penting adalah karena neutrino berinteraksi sangat sedikit dengan materi, namun tetap terjadi.

Dan interaksi dengan elektron atom Bumi, melalui kilometer batuan yang cukup, memengaruhi osilasi antara tipe-tipe neutrino satu sama lain.

Jarak yang lebih panjang, dibandingkan 2 km fasilitas Daya Bay, memungkinkan sensitivitas lebih tinggi dan kemampuan mendeteksi osilasi neutrino.

Namun, hal ini juga memerlukan tingkat perisai yang jauh lebih baik dan detektor yang jauh lebih besar untuk menangkap jumlah neutrino reaktor yang cukup.

Seluruh fasilitas digali 700 meter di bawah gunung untuk mengurangi tingkat kejadian sinar kosmik yang dapat mengganggu deteksi dari pembangkit listrik tenaga nuklir yang lebih dekat.

Sumber: Global Times

Pilihan desain ini mengurangi pengaruh sinar kosmik, yang sebaliknya akan mengaburkan sinyal neutrino hingga hampir 100.000 kali.

Diusulkan pada 2008 dan disetujui oleh Akademi Ilmu Pengetahuan China serta Provinsi Guangdong pada 2013, JUNO memulai konstruksi bawah tanah pada 2015.

Instalasi detektor dimulai pada Desember 2021 dan selesai pada Desember 2024.

JUNO memiliki keunggulan sebagai pelopor pertama dan menampilkan desain eksperimental unik dalam hal fisika.

Sebagai proyek kolaborasi internasional yang dipimpin oleh China, JUNO akan lebih memperkuat posisi terdepan China di bidang ini.”

Global Times

Kolam Scintillating Raksasa

Struktur utama JUNO menyerupai semangka yang tenggelam dalam air, dengan seluruh bola membentuk detektor neutrino paling presisi dan terbesar di dunia.

Untuk mendeteksi interaksi materi normal dengan neutrino, digunakan cairan scintillating. Ketika neutrino menabraknya, energi diubah menjadi cahaya.

Sumber: The European Physics Journal

Cahaya ini kemudian ditangkap dan diperkuat oleh tabung fotomultiplier (PMT) berukuran 20 inci dan PMT berukuran tiga inci, serta kabel, kumparan pelindung magnetik, baffle cahaya, dan komponen lainnya.

Detektor scintillator cair pusat di jantung JUNO memiliki massa efektif 20.000 ton, ditempatkan di tengah kolam air dengan kedalaman 44 meter.

Sumber: Global Times

Truss baja tahan karat berdiameter 41,1 meter mendukung bola akrilik 35,4 meter, scintillator, 20.000 PMT berukuran 20 inci, 25.600 PMT berukuran 3 inci, elektronik front-end, kabel, kumparan kompensasi antimagnetik, dan panel optik.

Semua PMT beroperasi secara bersamaan untuk menangkap cahaya scintillation dari interaksi neutrino dan mengubahnya menjadi sinyal listrik.

Sumber: ResearchGate

Volume Besar

Sejak Desember 2024, kolam yang mengelilingi sistem telah diisi dengan air ultra-murni pada laju 100 ton per jam.

Dalam 45 hari, tim mengisi 60.000 ton air ultra-murni, menjaga selisih level cairan antara bola akrilik dalam dan luar dalam sentimeter serta mempertahankan ketidakpastian aliran di bawah 0,5%, melindungi integritas struktural.

Sumber: IIHE

Tingkat presisi dan perawatan hati-hati ini akan memungkinkan deteksi neutrino menjadi sebanding, bahkan jika ada beberapa tahun antar setiap peristiwa.

Secara keseluruhan, seluruh fasilitas diperkirakan akan beroperasi selama lebih dari 30 tahun.

“Hal ini tidak hanya menuntut ide dan teknologi baru, tetapi juga bertahun-tahun perencanaan, pengujian, dan ketekunan yang cermat. Memenuhi persyaratan ketat tentang kemurnian, stabilitas, dan keamanan memerlukan dedikasi ratusan insinyur dan teknisi.”

Prof. MA Xiaoyan, Kepala Insinyur JUNO

Kolam melindungi detektor dari interferensi sinar kosmik yang jarang, menghasilkan sinyal serupa dengan deteksi neutrino yang berhasil menembus gunung di atas, serta radioaktivitas alami dari batuan sekitarnya.

Injeksi cairan akan dilakukan dalam dua tahap. Selama dua bulan pertama, air ultra-murni akan mengisi ruang di dalam dan di luar bola akrilik detektor pusat.

Pada enam bulan berikutnya, air ultra-murni di dalam bola akan digantikan dengan cairan scintillator.

Global Times

 JUNO telah berhasil menyelesaikan pengisian detektor scintillator cair 20.000 ton dan memulai pengumpulan data pada 26 Agustus^th, 2025.

Kolaborasi Internasional

JUNO dibangun oleh tim internasional besar dengan lebih dari 700 anggota dari 17 negara dan wilayah. Bahkan Amerika Serikat hadir dalam kolaborasi, melalui University of California (7 orang) dan University of Maryland (2 orang), dengan sebagian besar mitra internasional lainnya adalah negara-negara Eropa.

Data yang dihasilkan juga akan diproses melalui sumber daya penelitian internasional, dengan partisipasi Chinese Institute of High Energy Physics, Italian Istituto Nazionale di Fisica Nucleare CNAF, Russian Joint Institute for Nuclear Research, dan French Centre de Calcul de l’IN2P3.

Hasil Pertama

Pada 24 Agustus^th, tabrakan neutrino pertama dengan cairan scintillating terdeteksi, menunjukkan bahwa fasilitas kini siap menghasilkan data ilmiah.

Sumber: EyesOnSci

Titik data awal ini menunjukkan bahwa, jika ada, JUNO berkinerja bahkan lebih baik dari yang diharapkan dalam hal sensitivitas dan presisi pengukuran.

Namun masih akan memerlukan beberapa minggu atau bulan untuk mengonfirmasi pengukuran massa neutrino pertama yang konkret, dan lebih lama bagi komunitas ilmiah untuk memvalidasi hasil awal ini.

Peningkatan Masa Depan dan Eksperimen Neutrino Global

Peningkatan untuk Mendeteksi Antineutrino

Tugas pertama JUNO adalah memungkinkan umat manusia mengetahui untuk pertama kalinya hierarki massa neutrino yang sebenarnya. Ini telah menjadi, selama puluhan tahun, bagian yang hilang dari teka-teki untuk memahami partikel subatomik, dan fondasi alam semesta secara keseluruhan.

Dengan tidak hanya sebuah jawaban, tetapi pengukuran yang jauh lebih presisi daripada sebelumnya, fisikawan akan dapat menggunakan massa neutrino untuk melangkah lebih jauh ke bidang fisika sub-atomik dan kuantum lainnya.

Nanti, sensitivitas tinggi JUNO seharusnya memungkinkan peningkatan fasilitas untuk menyelesaikan pertanyaan utama lainnya mengenai neutrino: apakah neutrino merupakan antipartikel mereka sendiri?

Sebagian besar partikel memiliki antipartikel, dengan karakteristik berlawanan seperti muatan listrik (dan mungkin massa). Namun karena neutrino netral dan bermassa rendah, belum jelas apa tepatnya karakteristik antineutrino.

Dengan pada akhirnya memungkinkan deteksi dan pengukuran reaksi yang disebut peluruhan ganda beta tanpa neutrino, yang masih merupakan proses peluruhan radioaktif teoretis, hal ini dapat membuktikan bahwa partikel neutrino adalah antipartikel mereka sendiri, yang juga disebut partikel tipe Majorana atau Fermion Majorana.

Hyper-Kamiokande, DUNE, & Lainnya

Hyper-Kamiokande, atau Hyper-K, adalah penerus Super-Kamiokande, yang pada 1998 menemukan bukti kuat pertama tentang osilasi neutrino antar tipe. Super-Kamiokande juga berperan penting dalam membuktikan bahwa neutrino memiliki massa.

Berbeda dengan DUNE atau JUNO, yang berupaya membangun desain eksperimen neutrino yang sepenuhnya baru, Hyper-K lebih merupakan peningkatan pada teknologi yang ada. Hal ini kemungkinan membantu percepatan kemajuan, dengan operasi dimulai sesegera 2027, bersamaan dengan DUNE Amerika.

Ini dapat membantu membuat perkiraan kasar tentang ketidakseimbangan antara neutrino dan antineutrino.

DUNE, Hyper-K, dan JUNO adalah proyek neutrino yang sudah dalam tahap konstruksi. Lainnya masih dalam tahap konsep namun dapat membuka pemahaman lebih lanjut tentang fisika partikel.

Salah satunya adalah Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging (ENUBET), sebuah proyek Eropa. Proyek ini akan mencoba mendeteksi lepton bermuatan yang dibuat setiap kali neutrino diproduksi. Hal ini dapat memperdalam pemahaman kita tentang ketidakseimbangan antara materi dan antimateri.

Lainnya adalah NuTag, yang menggunakan teknik eksperimental baru: penandaan neutrino. Ini akan menggunakan jenis jalur sinar neutrino baru. Desain ini sudah diusulkan pada 1979, namun baru-baru ini detektor silikon dapat bertahan dari paparan langsung pada sinar sumber hadron, sehingga memungkinkan pembangunan.

Kesimpulan

JUNO kemungkinan akan menjadi eksperimen ilmiah yang sangat penting untuk akhirnya memecahkan pertanyaan-pertanyaan mengenai fisika yang belum terjawab selama puluhan tahun, dan telah menghambat pengembangan kemajuan lebih lanjut dalam fisika teoretis.

Meskipun hal ini terdengar agak jauh dari kepentingan 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, tipe partikel yang mungkin dapat dipahami lebih baik oleh JUNO.

Jadi proyek ilmiah internasional canggih seperti JUNO ada untuk membangun blok-blok dasar yang kemudian diubah menjadi inovasi terobosan.

Berinvestasi dalam Neutrino & Inovator Partikel Majorana

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

Sumber: Microsoft

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

Neutrino Energy

Meskipun kaya akan potensi aplikasi masa depan, ilmu neutrino tampaknya masih jauh dari penggunaan komersial secara reguler. Hal ini dapat berubah, menurut sebuah startup swasta Jerman yang sangat ambisius, Neutrino Energy.

Perusahaan ini sedang mengeksplorasi konsep sangat baru yaitu neutrinovoltaik, atau menghasilkan listrik dari aliran konstan neutrino di sekitar kita. Cara kerjanya adalah dengan menggunakan lapisan material 2D yang terbuat dari karbon (ikuti tautan untuk penjelasan lengkap tentang material 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 menunjukkan 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, ini hanyalah sebuah konsep dengan sedikit informasi tentang potensi output daya atau ekonomi. Namun ini jelas merupakan yang paling mendekati “perusahaan neutrino” yang ada di pasar saat ini.