Tersembunyi di kedalaman 1 km di bawah Gunung Ikeno, di lombong zink Kamioka, 290 km di utara Tokyo (Jepun), ada tempat yang diimpikan oleh mana-mana supervillain dari mana-mana filem atau kisah superhero sebagai sarangnya. Inilah "Super-Kamiokande" (atau "Super-K") - pengesan neutrino. Neutrinos adalah zarah asas subatom yang berinteraksi dengan lemah dengan bahan biasa. Mereka dapat menembusi apa sahaja dan di mana sahaja. Memerhatikan zarah-zarah asas ini membantu saintis mencari bintang yang runtuh dan mempelajari maklumat baru mengenai alam semesta kita. Business Insider bercakap dengan tiga pekerja stesen Super-Kamiokande dan mengetahui bagaimana semuanya berfungsi di sini dan eksperimen yang dilakukan para saintis di sini.
Menjunam ke dunia subatomik
Neutrinos sangat sukar dikesan. Begitu sukar sehingga ahli astrofizik dan terkenal sains Amerika terkenal Neil DeGrasse Tyson pernah memanggil mereka "mangsa yang paling sukar difahami di angkasa lepas."
Perkara tidak mewakili halangan untuk neutrino. Zarah-zarah subatom ini mampu melewati beratus-ratus tahun cahaya logam dan bahkan tidak menjadi perlahan,”kata Degrass Tyson.
Tetapi mengapa para saintis malah berusaha menangkapnya?
"Apabila letupan supernova terjadi, bintang itu jatuh ke dalam dirinya sendiri dan berubah menjadi lubang hitam. Sekiranya kejadian ini berlaku di galaksi kita, maka pengesan neutrino seperti "Super-K" yang sama dapat menangkap neutrino yang dipancarkan sebagai sebahagian daripada proses ini. Terdapat sedikit pengesan seperti ini di dunia,”jelas Yoshi Uchida dari Imperial College London.
Sebelum bintang runtuh, ia melemparkan neutrino ke semua arah ruang, dan makmal seperti Super-Kamiokande berfungsi sebagai sistem amaran awal yang memberitahu para saintis ke arah mana yang harus dilihat untuk melihat saat-saat terakhir kehidupan bintang.
Video promosi:
Pengiraan yang dipermudahkan mengatakan bahawa kejadian letupan supernova di radius di mana pengesan kami dapat mengesannya, berlaku hanya sekali setiap 30 tahun. Dengan kata lain, jika anda ketinggalan, anda perlu menunggu beberapa dekad sebelum acara seterusnya,”kata Uchida.
Pengesan neutrino Super-K tidak hanya mengambil neutrino yang memukulnya secara langsung dari angkasa. Sebagai tambahan, neutrino ditularkan kepadanya dari kemudahan eksperimen T2K yang terletak di bandar Tokai, di seberang Jepun. Sinar neutrino yang dihantar harus menempuh jarak sekitar 295 kilometer, setelah itu memasuki pengesan Super-Kamiokande yang terletak di bahagian barat negara ini.
Memerhatikan bagaimana neutrino berubah (atau berayun) ketika mereka melalui bahan dapat memberitahu para saintis lebih banyak mengenai sifat alam semesta, seperti hubungan antara jirim dan antimateri.
"Model Big Bang kami menunjukkan bahawa bahan dan antimateri harus dibuat dalam jumlah yang sama," kata Morgan Vasco dari Imperial College London kepada Business Insider.
"Bagaimanapun, bahagian utama antimateri, untuk sebab tertentu atau lain-lain, hilang. Terdapat perkara yang lebih biasa daripada antimateri."
Para saintis percaya bahawa kajian mengenai neutrino mungkin salah satu kaedah di mana jawapan untuk teka-teki ini akhirnya dapat dijumpai.
Bagaimana Super Kamiokande menangkap neutrino
Terletak 1,000 meter di bawah tanah, Super Kamiokande adalah seperti ini, berukuran 15 tingkat bangunan.
Skema pengesan neutrino Super-Kamiokande.
Tangki keluli tahan karat berbentuk silinder yang besar diisi dengan 50 ribu tan air yang disucikan khas. Melepasi neutrino air ini bergerak pada kelajuan cahaya.
"Neutrinos yang memasuki takungan menghasilkan cahaya dalam corak yang serupa dengan bagaimana Concorde memecahkan penghalang suara," kata Uchida.
Sekiranya pesawat bergerak sangat cepat dan memecahkan penghalang suara, maka gelombang kejutan yang sangat kuat akan dibuat di belakangnya. Begitu juga, neutrino yang melalui air dan bergerak lebih cepat daripada kelajuan cahaya menimbulkan gelombang kejutan cahaya,”jelas saintis itu.
Terdapat lebih dari 11,000 "mentol" emas khas yang dipasang di dinding, siling dan bahagian bawah tangki. Mereka dipanggil photomultipliers dan sangat sensitif terhadap cahaya. Merekalah yang menangkap gelombang kejutan cahaya yang diciptakan oleh neutrino.
Photomultipliers kelihatan seperti ini.
Morgan Vasco menggambarkan mereka sebagai "lampu belakang". Peranti ini sangat sensitif sehingga walaupun dengan bantuan kuantum cahaya tunggal, mereka dapat menghasilkan impuls elektrik, yang kemudian diproses oleh sistem elektronik khas.
Jangan minum air, anda akan menjadi kanak-kanak
Agar cahaya dari gelombang kejutan yang dihasilkan oleh neutrino sampai ke sensor, air di dalam tangki mesti jernih. Begitu bersih sehingga anda tidak dapat bayangkan. Di Super-Kamiokanda, ia menjalani proses pembersihan bertingkat khas yang berterusan. Para saintis bahkan memancarkannya dengan sinar ultraviolet untuk membunuh semua bakteria yang mungkin ada di dalamnya. Akibatnya, dia menjadi seperti dia sudah merasa seram.
“Air yang disucikan ultra dapat melarutkan apa saja. Air yang sangat disucikan adalah perkara yang sangat tidak menyenangkan di sini. Ia mempunyai sifat asid dan alkali,”kata Uchida.
"Bahkan setetes air ini dapat menyebabkan banyak masalah yang tidak pernah anda impikan," tambah Vasco.
Orang ramai berlayar dengan kapal di dalam takungan Super-Kamiokande.
Sekiranya perlu melakukan penyelenggaraan di dalam tangki, misalnya, untuk mengganti sensor yang gagal, para penyelidik harus menggunakan perahu getah (gambar di atas).
Semasa Matthew Malek adalah pelajar siswazah di University of Sheffield, dia dan dua pelajar lain "bernasib baik" untuk melakukan pekerjaan yang serupa. Menjelang akhir hari bekerja, ketika tiba masanya untuk naik ke atas, gondola drop-down yang direka khas runtuh. Ahli fizik tidak mempunyai pilihan selain untuk kembali ke kapal dan menunggu untuk diperbaiki.
"Saya tidak langsung memahami ketika saya berbaring di perahu saya dan bercakap dengan orang lain, bagaimana sebahagian kecil rambut saya, secara harfiah tidak lebih dari tiga sentimeter, menyentuh air ini," kata Malek.
Ketika mereka melayang di dalam Super-Kamiokande dan para saintis di tingkat atas memperbaiki gondola, Malek tidak bimbang tentang apa-apa. Dia menjadi bimbang pada keesokan paginya, menyedari bahawa sesuatu yang dahsyat telah berlaku.
Saya bangun pada jam 3 pagi dari gatal yang tidak dapat ditanggung di kepala saya. Ia mungkin gatal terburuk yang pernah saya alami dalam hidup saya. Lebih buruk daripada cacar air, yang saya ada semasa kecil. Sungguh mengerikan sehingga saya tidak dapat tidur lagi,”sambung saintis itu.
Malek menyedari bahawa setetes air yang jatuh di hujung rambutnya "dihisap kering" semua nutrien dari mereka dan kekurangannya sampai ke tengkoraknya. Dia bergegas ke bilik mandi dengan tergesa-gesa dan menghabiskan lebih dari setengah jam di sana, berusaha mendapatkan rambutnya kembali.
Satu lagi kisah diceritakan oleh Vasco. Dia mendengar bahawa pada tahun 2000, semasa penyelenggaraan, personel mengalirkan air dari tangki dan menemukan garis kunci sepana di bahagian bawah.
"Nampaknya kunci ini secara tidak sengaja ditinggalkan oleh salah seorang pekerja ketika mereka mengisi tangki dengan air pada tahun 1995. Setelah menyiram air pada tahun 2000, mereka mendapati kuncinya telah larut."
Super-Kamiokande 2.0
Walaupun "Super-Kamiokande" sudah menjadi pengesan neutrino yang sangat besar, para saintis telah mencadangkan untuk membuat pemasangan yang lebih besar yang disebut "Hyper-Kamiokande".
"Sekiranya kami mendapat persetujuan untuk pembinaan Hyper-Kamiokande, maka pengesan akan siap beroperasi sekitar tahun 2026," kata Vasco.
Menurut konsep yang dicadangkan, pengesan Hyper-Kamiokande akan 20 kali lebih besar daripada Super-Kamiokande. Ia dirancang untuk menggunakan sekitar 99,000 photomultipliers.
Nikolay Khizhnyak
