Proyek mega
Eksperimen Neutrino Bawah Tanah Dalam (DUNE): Memecahkan Misteri Alam Semesta
Tambahkan Securities.io ke sumber pilihan Anda di Google
Menyaksikan Sekilas Partikel Paling Sulit Ditangkap
Fundamental physics has always relied on a mix of theory and experiments to progress our understanding of the Universe. To this day, one of the most difficult to answer questions is about the fundamental nature of gravity and the forces that direct the Universe. It has long been known that the answer is likely to be found in an elusive and almost impossible-to-study particle: the neutrino.
Inilah tujuan megaproject Deep Underground Neutrino Experiment, aka ‘DUNE.’ Ini adalah upaya mengesankan yang melintasi beberapa negara bagian di AS dan melibatkan lebih dari 800 mil / 1.300 km eksperimen bawah tanah.
Apa Itu Neutrino?
Neutrino adalah partikel netral listrik dengan massa yang sangat kecil yang lama dianggap nol. Saat ini, kita sama sekali tidak tahu mengapa neutrino memiliki massa, kecuali tampaknya ia berfungsi dengan cara yang berbeda dibandingkan partikel lain.
Yang membuat neutrino unik adalah bahwa 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 yang sangat pendek, dan gravitasi hampir tidak memengaruhi neutrino bermassa rendah, neutrino biasanya melewati materi tanpa berinteraksi atau melambat. Akibatnya, neutrino biasanya bergerak hampir secepat cahaya.
Neutrino adalah partikel fundamental yang tidak dapat dipecah menjadi komponen yang 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.
Juga mungkin bahwa 4th ada juga, neutrino steril, yang bahkan 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.
Meskipun sulit ditangkap, neutrino diperkirakan merupakan partikel paling melimpah di Alam Semesta. Sekitar seribu triliun neutrino melintasi tubuh kita setiap detik.
Anda dapat mempelajari lebih lanjut tentang neutrino di situs khusus “semua hal tentang neutrino” yang dibuat oleh Fermilab.
Desain DUNE
Bagaimana kita dapat mendeteksi dan mempelajari partikel yang bergerak dengan kecepatan cahaya ketika ia juga tidak berinteraksi dengan materi normal? Inilah pertanyaan yang ingin dijawab oleh DUNE.
DUNE akan membentang antara Fermilab, laboratorium fisika partikel dan akselerator Amerika di Illinois, dan Sanford Underground Research Facility (SURF atau Sanford Lab) di South Dakota.
Sumber: DUNE
Fermilab
Akselerator proton yang disebut Proton Improvement Plan-II (PIP-II) digunakan di situs Fermilab untuk menghasilkan aliran neutrino. PIP-II merupakan peningkatan dari akselerasi partikel sebelumnya di Fermilab. Ia menggunakan teknologi radio-frekuensi superkonduktor untuk menyediakan berkas proton yang kuat, yang bergerak hampir dengan kecepatan cahaya, dan dapat disesuaikan untuk berbagai eksperimen.
Struktur akselerasi akan didinginkan hingga 2°K (-456°F / -271°C, 2 derajat di atas nol mutlak) untuk memberikan percepatan yang efisien dan berdaya tinggi.
Pendinginan ini dicapai berkat unit pendingin raksasa berukuran gudang, yang masih dalam tahap konstruksi.
Sumber: Fermilab
Bagian dari unit pendingin, cryogenic coldbox, dibangun di Eropa oleh CERN dan tiba di Fermilab pada Desember 2024.
Sumber: Fermilab
Fermilab juga akan memiliki detektor yang akan merekam interaksi partikel di dekat sumber berkas. Sebuah bukit setinggi 18 meter (60 kaki) dibangun untuk memiringkan jalur berkas pada sudut yang tepat agar mengirim neutrino ke arah South Dakota. Berkas partikel diarahkan ke bawah untuk memperhitungkan kelengkungan Bumi dan tidak terhentikan oleh 800 mil batuan di antaranya.
Sumber: Fermilab
Sanford Underground Research Facility (SURF)
SURF akan menampung detektor neutrino terbesar di dunia dengan tipe ini yang pernah dibangun. Ia akan menggunakan 70.000 ton argon cair untuk menangkap interaksi neutrino dengan materi normal.
Secara total, 4 modul detektor akan dibangun, didukung oleh sistem dukungan kriogenik besar.
Sumber: Fermilab
Ini dibangun jauh di bawah tanah, kedalaman 1 mil / 1,5 km, dengan memanfaatkan kembali shaft tambang emas lama untuk menembus lebih dalam dan membangun gua buatan bawah tanah yang masif.
Secara total, sekitar 800.000 ton batuan digali untuk membuat ruang bagi empat modul detektor jauh DUNE dan utilitas yang diperlukan di bawah tanah. Batu-batu ini dibuang ke area tambang lama.
Sumber: Fermilab
Bersama-sama, akselerator proton Fermilab, detektor, dan detektor neutrino SURF membentuk Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF).
Apa yang DUNE Dapat Capai?
Selalu sulit memprediksi secara tepat apa yang akan dicapai oleh sebuah eksperimen fisika partikel, yang pada dasarnya adalah tujuan utama. Namun, kita dapat mengharapkan kemajuan pada tiga topik berbeda dari proyek DUNE.
Asal Usul Materi
Sejak ledakan awal materi dan antimateri pada Big Bang, materi telah menjadi partikel dominan di Alam Semesta. Masih belum jelas mengapa, karena keduanya diperkirakan tercipta dalam jumlah yang sama.
Neutrino mungkin menjadi jawabannya. Beberapa fisikawan berpikir bahwa neutrino unik karena mereka juga merupakan antipartikel mereka sendiri. Lainnya berpikir pergeseran neutrino antar rasa mungkin merupakan bagian penting. Dalam hal apapun, neutrino mungkin telah menggeser keseimbangan menuju dominasi materi saat ini.
Sebaliknya, jika terbukti bahwa neutrino tidak bertanggung jawab, maka fisikawan harus menggambar ulang teori mereka tentang asal usul Alam Semesta.
Penyatuan Gaya
Koneksi antara 4 gaya fundamental (elektromagnetisme, lemah nuklir, kuat nuklir, dan gravitasi) masih kurang dipahami.
DUNE dapat membantu mendeteksi sesuatu yang diperkirakan namun belum pernah diamati secara eksperimental: peluruhan proton.
Fisikawan saat ini sebagian besar mengandalkan Model Standar fisika partikel. Ini merupakan kerangka kerja yang solid, namun gagal menjelaskan beberapa fenomena dan menyatukan gaya-gaya yang berbeda. Jika terukur, peluruhan proton akan memberi wawasan tentang model alternatif yang dapat menggantikan teori grand unified (GUT), gravitasi kuantum, supersimetri, dll.
Lubang Hitam
Neutrino diproduksi dalam jumlah besar selama keruntuhan bintang menjadi lubang hitam. Kemampuan deteksi neutrino DUNE yang luar biasa dapat membantu kita melihat apa yang terjadi di dalam bintang neutron, dan berpotensi menyaksikan kelahiran lubang hitam.
Hal ini, pada gilirannya, dapat membantu kita memahami gravitasi dengan lebih baik, baik pada skala kosmik maupun kuantum.
Orang-orang DUNE
DUNE melibatkan lebih dari 30 negara dan 1.000 ilmuwan.
Sumber: DUNE
Tidak mungkin merinci kontribusi setiap ilmuwan pada proyek kolektif masif ini. Namun, kami dapat menyoroti partisipasi beberapa di antaranya:
Pantaleo Raimondi
Dia adalah direktur proyek baru untuk Proton Improvement Plan II, setelah seumur hidup bekerja pada akselerator partikel di CERN, DAFNE, dan ESFR.
“Pantaleo bergabung dengan PIP-II pada waktu yang tepat. Saat proyek menyelesaikan semua aktivitas desain akhir, mendorong fase pengadaan, dan memulai perencanaan integrasi serta komisioning yang detail, pengalamannya memimpin upaya ini di ESRF dan tempat lain akan sangat berharga.”
Carlo Rubia
Seorang Pemenang Nobel dan mantan direktur CERN, ia pertama kali mengembangkan metode deteksi neutrino yang digunakan oleh DUNE.
Selama masa jabatannya, pada tahun 1993, “CERN setuju untuk membiarkan siapa saja menggunakan protokol Web dan kode secara gratis … tanpa royalti atau batasan lainnya”.
Anda dapat mendengarkan dia membicarakan proyek DUNE dan proyek penelitian neutrino lainnya seperti ICARUS dalam video ini.
Alexandre Sousa
Seorang spesialis neutrino, ia memiliki fokus khusus pada neutrino steril dan fisika “beyond-the-standard-model”.
“Mungkin tidak berpengaruh pada kehidupan sehari-hari Anda, tetapi kami berusaha memahami mengapa kami ada di sini. Neutrino tampaknya memegang kunci untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan yang sangat mendalam ini.
“Dengan dua modul detektor ini dan berkas neutrino paling kuat yang pernah ada, kami dapat melakukan banyak ilmu pengetahuan. DUNE yang mulai beroperasi akan sangat menggembirakan. Ini akan menjadi eksperimen neutrino terbaik yang pernah ada.”
Biaya yang Meningkat & Jadwal
Konstruksi proyek dimulai pada 2017, dan penggalian pertama di Dakota dimulai pada 2019. Penggalian pertama untuk gua utama di Dakota dimulai pada 2021.
Pada Agustus 2024, detektor prototipe merekam neutrino pertama yang dihasilkan oleh akselerator.
Sumber: DUNE
Namun, prosesnya tidaklah mudah. Misalnya, shaft tambang harus diperbaiki sebelum batuan dapat diekstraksi untuk membangun gua bawah tanah, yang menunda proyek dan menambah biaya setidaknya $300 juta.
Peningkatan akselerator partikel Fermilab menambah tagihan sebesar $1 miliar lagi. Peningkatan tersebut juga disertai insiden serius, di mana seorang pekerja jatuh 23 kaki ke beton, menyebabkan penghentian konstruksi selama setengah tahun hingga prosedur keamanan dapat ditinjau kembali.
Secara keseluruhan, perkiraan awal proyek menempatkannya pada biaya $1,5 miliar dan selesai pada 2035. Tampaknya $3,3 miliar dan tenggat 2040 kini lebih mungkin. Jika semua dipertimbangkan, proyek ini dapat menelan biaya hingga $5 miliar bagi pembayar pajak Amerika.
Hal ini telah memicu beberapa kritik di media dan oleh ilmuwan yang tidak terlibat.
\”Ya, ada beberapa kebisingan di luar sana, tetapi orang-orang yang menulis hal itu tidak tahu apa yang mereka bicarakan. Hari-hari awal sebuah proyek selalu ditandai dengan optimisme berlebihan yang tidak pernah terbukti benar.
Teleskop Luar Angkasa James Webb diluncurkan pada Desember 2021 setelah bertahun-tahun penundaan dan pembengkakan biaya, dan kini secara rutin membuka batasan kosmik. Tidak ada obat selain kesuksesan.”
Ron Ray, wakil direktur proyek DUNE
Namun, meskipun ada penundaan dan biaya tambahan, menyerah pada DUNE berarti melihat AS tertinggal di belakang dunia dalam fisika partikel.
Kompetisi Meningkat
Hal ini terutama terjadi karena 2 megaproject lain dalam eksperimen neutrino juga sedang meningkat. Satu di Jepang dan satu di China.
“Segala sesuatu yang layak dilakukan melibatkan kompetisi. Namun ini bukan sekadar perlombaan kuda; eksperimen neutrino selalu melibatkan kolaborasi internasional.
Selain itu, DUNE memiliki tujuan tambahan, termasuk mencari materi gelap, substansi tak terlihat yang membentuk sebagian besar kosmos, dan mempelajari neutrino dari kematian kataklismik bintang-bintang jauh.
Di balik layar, ilmuwan DUNE telah membuat kemajuan stabil dalam menyempurnakan detektor argon cair, yang masih merupakan teknologi baru pada 2012 ketika perancang DUNE mempertaruhkannya. Saya melihat seluruh daftar hal yang bisa berakhir berbeda dan rasanya semua bintang sedang berbaris.”
Sam Zeller – Fisikawan di Fermilab
Hyper-Kamiokande
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, yang berusaha membangun desain eksperimen neutrino yang sepenuhnya baru, Hyper-K lebih merupakan peningkatan pada teknologi yang ada. Hal ini kemungkinan akan mempercepat perkembangannya, dengan operasional dimulai pada 2027.
Ini dapat membantu menghasilkan perkiraan kasar pertama tentang ketidakseimbangan antara neutrino dan antineutrino.
Hyper-K dan Dune mungkin lebih menjadi mitra daripada pesaing, karena metode deteksi neutrino yang berbeda dapat membantu saat melakukan pengukuran yang sama. Beberapa pengukuran spesifik mungkin juga bekerja lebih baik pada satu daripada yang lain karena alasan teknis. Karena Jepang dan AS memiliki sejarah panjang kolaborasi ilmiah, kemungkinan besar ini akan menjadi rivalitas bersahabat antara Hyper-K dan DUNE.
Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO)
Dalam konteks kompetisi Kekuatan Besar antara AS dan China, JUNO kemungkinan akan dipandang sebagai pesaing DUNE.
JUNO memiliki keunggulan sebagai pelopor dan menampilkan desain eksperimental unik dalam hal fisika. Sebagai proyek kolaborasi internasional yang dipimpin oleh China, JUNO akan semakin memperkuat posisi kepemimpinan China di bidang ini.
Detektor dibuat dari kolam silindris dengan kedalaman 44 meter di ruang bawah tanah yang terkubur dalam lapisan granit sebuah bukit. Sejak Desember 2024, kolam tersebut telah diisi dengan air ultra-murni dengan laju 100 ton per jam.
Sumber: Global Times
Kolam ini menampung detektor, yang dilengkapi dengan 20.000 tabung fotomultiplier berukuran 20 inci dan 25.000 tabung fotomultiplier berukuran tiga inci, serta kabel, kumparan pelindung magnetik, penahan cahaya, dan komponen lainnya.
Kolam ini melindungi detektor dari interferensi sinar kosmik pada deteksi neutrino, serta radioaktivitas alami dari batuan di sekitarnya.
Injeksi cairan akan terjadi dalam dua tahap. Selama dua bulan pertama, air ultra-murni akan mengisi ruang di dalam dan di luar bola akrilik detektor pusat. Selama enam bulan berikutnya, air ultra-murni di dalam bola akan digantikan dengan cairan scintillator.
Seluruh proses injeksi cairan diperkirakan selesai pada Agustus 2025, setelah itu fasilitas akan resmi memulai operasi dan pengumpulan data.
Proyek Neutrino Masa Depan
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. Ia akan mencoba mendeteksi lepton bermuatan yang dihasilkan 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 baru jalur berkas neutrino. Desain ini sudah diusulkan pada 1979, namun baru-baru ini detektor silikon mampu bertahan dari paparan langsung pada berkas sumber hadron.
Kesimpulan DUNE
DUNE adalah jenis megaproject ilmiah yang pada pandangan pertama tampak tidak memiliki aplikasi langsung. Dalam hal ini, ia sangat mirip dengan kebanyakan ilmu fisika partikel dan fisika kuantum awal abad ke-20th.
Penyelidikan awal ini tentang aspek fundamental realitas kita, bagaimanapun, pada akhirnya akan menghasilkan hasil yang diperlukan untuk kemajuan seperti tenaga nuklir (dan bom), mikroskop elektron, mikrochip canggih, satelit, dll.
Kemungkinan pemahaman yang lebih dalam tentang neutrino akan menghasilkan hasil jangka panjang serupa pada kemajuan teknologi, dengan sebagian besar inovasi beberapa dekade ke depan tidak dapat diprediksi.
Pemahaman yang lebih baik tentang neutrino dan cara memproduksinya juga dapat memiliki berbagai aplikasi:
- Mengubah bahan bakar bekas dari reaktor nuklir menjadi material dengan radioaktivitas lebih rendah, atau menggunakan neutrino untuk memantau bahan bakar radioaktif.
- Menggunakan neutrino untuk memantau kapal selam nuklir di bawah air, fokus program Detektor Neutrino Eksperimental rahasia DARPA.
- Memeriksa Bumi untuk rongga dengan potensi deposit minyak atau mineral.
- Komunikasi neutrino, berpotensi bahkan komunikasi antarbintang di masa depan yang jauh.
Perusahaan Neutrino
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 baru 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 akan mengubah gerakan termal (Brownian) atom graphene menjadi listrik yang dapat digunakan, pada dasarnya menghasilkan energi dari nada. 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 diharapkan menunjukkan teknologi tersebut, 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 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.
