Pendahuluan

Neutrino adalah salah satu tokoh paling tenang dalam alam semesta. Ia hampir tidak bermuatan, hampir tidak menumbuk apa pun, dan dapat melewati planet, bintang, bahkan tubuh kita dengan peluang sangat besar untuk tidak meninggalkan jejak. Namun justru karena sifatnya yang “pendiam” itu, neutrino menjadi pembawa kabar dari tempat-tempat yang tidak dapat dijangkau cahaya: inti Matahari, pusat ledakan supernova, reaktor nuklir, atmosfer atas, akselerator partikel, dan alam semesta awal.

Untuk memulai dari prinsip pertama, bayangkan kita ingin memahami dunia bukan dari benda-benda besar seperti batu, air, atau bintang, melainkan dari pertanyaan yang lebih dasar: apa yang dapat berubah, apa yang tetap, dan bagaimana kita tahu? Dalam fisika, kita tidak hanya mengamati benda; kita mengukur besaran fisis, yaitu kuantitas yang dapat diberi nilai melalui pengamatan atau eksperimen. Energi, momentum, muatan listrik, massa, waktu, dan jarak adalah contoh besaran fisis. Jika sebuah proses terjadi—misalnya inti atom meluruh, partikel bertumbukan, atau cahaya dipancarkan—fisikawan bertanya: sebelum dan sesudah proses itu, besaran apa yang berubah dan besaran apa yang kekal?

Kata kekal di sini berarti “jumlah totalnya tetap” dalam suatu proses tertutup. Misalnya, hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi total sistem tertutup tidak hilang begitu saja; ia dapat berpindah bentuk, tetapi jumlah totalnya tetap. Jika sebuah bola jatuh, energi potensial gravitasi berubah menjadi energi kinetik. Jika bahan bakar terbakar, energi kimia berubah menjadi kalor, cahaya, dan gerak molekul. Dalam dunia partikel, gagasan yang sama jauh lebih tajam: ketika sebuah inti atom meluruh dan hasilnya tampak membawa energi lebih sedikit daripada yang seharusnya, fisikawan harus memilih dengan hati-hati. Apakah hukum kekekalan energi gagal, atau ada sesuatu yang tidak terlihat ikut membawa energi?

Dari pertanyaan seperti itulah neutrino lahir.

Pada awal abad ke-20, peluruhan beta menjadi teka-teki besar. Peluruhan beta adalah proses radioaktif ketika inti atom berubah dan memancarkan elektron atau positron. Dalam bentuk sederhana, orang mengira peluruhan itu mirip dengan proses dua benda: inti awal berubah menjadi inti akhir dan satu elektron. Jika hanya ada dua hasil akhir, hukum kekekalan energi dan momentum membuat energi elektron seharusnya memiliki nilai tertentu. Namun eksperimen menunjukkan bahwa energi elektron dalam peluruhan beta membentuk spektrum kontinu: elektron dapat muncul dengan banyak nilai energi. Masalah ini begitu serius sehingga tampak seolah-olah energi tidak selalu kekal dalam proses mikroskopik. Sejarah krisis ini dan gagasan partikel baru yang tidak terlihat dibahas secara klasik dalam uraian sejarah neutrino oleh Brown (1978).

Wolfgang Pauli mengusulkan jalan keluar yang berani: mungkin ada partikel netral yang ikut keluar dari peluruhan beta, tetapi sangat sulit dideteksi. Partikel itu membawa sebagian energi dan momentum yang “hilang”. Beberapa tahun kemudian, Enrico Fermi membangun teori kuantitatif peluruhan beta yang memasukkan partikel tersebut; dalam teori Fermi, peluruhan beta dipahami sebagai proses interaksi yang menghasilkan elektron dan neutrino atau antineutrino bersama perubahan inti atom (Fermi, 1934). Nama “neutrino” kemudian melekat: dalam bahasa Italia, kira-kira berarti “yang kecil dan netral”.

Kisah ini penting karena menunjukkan cara kerja fisika modern. Neutrino tidak ditemukan karena seseorang melihatnya langsung seperti melihat tetesan air di kaca. Ia mula-mula disimpulkan dari ketidakseimbangan yang sangat teliti dalam catatan energi dan momentum. Dengan kata lain, neutrino adalah contoh kuat bahwa “melihat” dalam fisika tidak selalu berarti melihat dengan mata. Kadang-kadang melihat berarti menemukan pola pengukuran yang hanya masuk akal jika ada sesuatu yang belum tertangkap alat kita.

Namun fisika tidak berhenti pada dugaan. Dugaan harus diuji. Pada 1950-an, Clyde Cowan dan Frederick Reines bersama rekan-rekannya mendeteksi antineutrino dari reaktor nuklir melalui proses yang kini dikenal sebagai peluruhan beta terbalik, yaitu reaksi ketika antineutrino berinteraksi dengan proton dan menghasilkan positron serta neutron. Eksperimen mereka di dekat reaktor nuklir menjadi konfirmasi langsung pertama terhadap keberadaan neutrino bebas (Cowan et al., 1956). Tonggak ini mengubah neutrino dari “penyelamat hukum kekekalan” menjadi partikel nyata yang dapat dipelajari.

Sebelum melangkah lebih jauh, kita perlu menjernihkan beberapa istilah. Partikel elementer adalah partikel yang, sejauh pengetahuan eksperimen saat ini, tidak tersusun dari bagian yang lebih kecil. Elektron adalah contoh partikel elementer dalam Model Standar fisika partikel. Proton bukan partikel elementer karena tersusun dari quark dan gluon. Neutrino, dalam Model Standar, termasuk partikel elementer. Ia tergolong lepton, yaitu keluarga partikel yang tidak mengalami interaksi kuat. Elektron juga lepton, tetapi elektron bermuatan listrik, sedangkan neutrino bermuatan listrik nol. Ringkasan sifat partikel elementer dalam kerangka Model Standar dibahas secara sistematis dalam Review of Particle Physics oleh Particle Data Group (Workman et al., 2022).

Istilah lain yang akan sering muncul adalah interaksi. Dalam fisika partikel, interaksi adalah cara partikel memengaruhi partikel lain. Elektromagnetisme membuat elektron dan proton saling tarik karena muatan listriknya berbeda. Interaksi kuat mengikat quark di dalam proton dan neutron serta berperan dalam kestabilan inti atom. Interaksi lemah memungkinkan beberapa proses peluruhan radioaktif, termasuk peluruhan beta. Gravitasi bekerja pada massa-energi, tetapi pada skala partikel elementer biasanya jauh lebih lemah daripada interaksi lain. Neutrino terutama berinteraksi melalui interaksi lemah dan gravitasi; karena tidak bermuatan listrik dan tidak mengalami interaksi kuat, ia sangat sulit ditangkap oleh materi biasa (Workman et al., 2022).

Contohnya begini. Cahaya mudah dihentikan oleh dinding karena foton berinteraksi elektromagnetik dengan elektron dalam atom-atom dinding. Elektron juga mudah dibelokkan oleh medan listrik dan magnet karena bermuatan. Sebaliknya, neutrino dapat melewati lapisan batuan yang sangat tebal karena peluangnya untuk mengalami interaksi lemah dengan partikel di dalam batuan sangat kecil. Ini bukan berarti neutrino “menembus” materi seperti hantu dalam pengertian mistis. Ia tetap bagian dari alam fisis dan tunduk pada hukum fisis. Hanya saja, penampang lintang interaksinya—ukuran efektif peluang tumbukan dalam fisika partikel—sangat kecil dibandingkan banyak partikel lain pada energi yang biasa kita temui.

Kesulitan mendeteksi neutrino membuatnya tampak seperti masalah. Tetapi dalam sains, kelemahan sering menjadi kekuatan jika dipahami dengan benar. Karena jarang berinteraksi, neutrino dapat keluar dari tempat yang tidak tembus cahaya. Cahaya dari inti Matahari, misalnya, tidak langsung keluar ke permukaan; foton berulang kali diserap dan dipancarkan dalam plasma Matahari sebelum akhirnya mencapai ruang angkasa. Neutrino Matahari, sebaliknya, dapat meninggalkan inti Matahari hampir segera setelah terbentuk dalam reaksi fusi. Karena itu neutrino membawa informasi langsung tentang proses energi di pusat Matahari. Fisika neutrino Matahari menjadi salah satu jembatan besar antara fisika partikel dan astrofisika, sebagaimana dirumuskan secara mendalam dalam karya Bahcall tentang astrofisika neutrino (Bahcall, 1989).

Matahari bukan satu-satunya sumber neutrino. Reaktor nuklir menghasilkan antineutrino dalam jumlah besar melalui peluruhan beta produk fisi. Atmosfer Bumi menghasilkan neutrino ketika sinar kosmik—partikel berenergi tinggi dari ruang angkasa—menumbuk molekul udara dan menghasilkan partikel tidak stabil yang kemudian meluruh. Akselerator partikel dapat membuat berkas neutrino secara terkontrol. Supernova, yaitu ledakan bintang masif pada tahap akhir hidupnya, melepaskan sebagian besar energi gravitasinya dalam bentuk neutrino; deteksi neutrino dari SN 1987A menjadi bukti observasional penting bahwa neutrino membawa informasi langsung dari runtuhnya inti bintang (Hirata et al., 1987; Bionta et al., 1987).

Dalam buku ini, kita akan melihat bahwa neutrino tidak hanya “ada”. Ia berubah. Eksperimen menunjukkan bahwa neutrino memiliki beberapa rasa: neutrino elektron, neutrino muon, dan neutrino tau. Kata “rasa” di sini bukan rasa dalam indra pengecap, melainkan istilah teknis untuk jenis neutrino yang terkait dengan lepton bermuatan tertentu: elektron, muon, atau tau. Hal yang lebih mengejutkan adalah bahwa neutrino dapat berubah rasa selama bergerak. Gejala ini disebut osilasi neutrino. Bukti kuat dari neutrino atmosfer dilaporkan oleh Super-Kamiokande pada 1998, dan bukti transformasi neutrino Matahari diperkuat oleh Sudbury Neutrino Observatory melalui pengukuran interaksi arus netral (Fukuda et al., 1998; Ahmad et al., 2002).

Osilasi neutrino mengandung pesan besar: neutrino memiliki massa. Ini penting karena bentuk paling sederhana Model Standar semula memperlakukan neutrino sebagai partikel tak bermassa. Artinya, neutrino menjadi salah satu pintu masuk paling jelas menuju fisika di luar bentuk paling sederhana Model Standar. Di sini kita harus berhati-hati: “di luar Model Standar” tidak berarti Model Standar salah secara keseluruhan. Model Standar sangat berhasil menjelaskan banyak data eksperimen. Tetapi seperti peta yang sangat akurat untuk wilayah tertentu, ia mungkin belum lengkap untuk semua wilayah. Massa neutrino memberi petunjuk bahwa ada struktur lebih dalam yang belum sepenuhnya kita pahami.

Buku ini ditulis untuk membangun pemahaman tersebut secara bertahap. Kita tidak akan mulai dengan persamaan yang rumit. Kita mulai dari gagasan dasar: apa itu partikel, apa itu medan, apa arti energi dan momentum, mengapa hukum kekekalan begitu kuat, dan bagaimana eksperimen dapat menyimpulkan keberadaan sesuatu yang hampir tidak pernah berinteraksi. Setelah itu, kita masuk ke sejarah: krisis peluruhan beta, usulan Pauli, teori Fermi, dan deteksi pertama. Barulah kita memperluas pandangan ke interaksi lemah, tiga rasa neutrino, detektor raksasa, neutrino Matahari, osilasi, massa, supernova, kosmologi, dan pertanyaan apakah neutrino mungkin merupakan partikel Majorana—yaitu partikel yang identik dengan antipartikelnya sendiri.

Ada satu sikap belajar yang penting sejak awal: jangan memaksa neutrino terasa “wajar” berdasarkan pengalaman sehari-hari. Dunia sehari-hari dibentuk oleh elektromagnetisme, gravitasi, dan benda-benda besar yang terdiri dari sangat banyak atom. Neutrino hidup di ranah yang berbeda: ranah kuantum, interaksi lemah, dan probabilitas. Probabilitas berarti peluang suatu hasil terjadi. Dalam fisika kuantum, probabilitas bukan sekadar akibat ketidaktahuan praktis seperti tidak tahu sisi mana dadu akan muncul; ia merupakan bagian mendasar dari cara teori memprediksi hasil pengukuran. Karena itu, ketika kita berkata “neutrino mungkin berinteraksi di dalam detektor”, kita tidak sedang menyatakan keraguan sembarangan. Kita sedang menyatakan prediksi kuantitatif: dari sekian banyak neutrino yang lewat, sejumlah kecil diharapkan menghasilkan sinyal yang dapat diukur.

Contoh sederhana dapat membantu. Misalkan hujan sangat halus jatuh ke kolam besar, tetapi hanya satu dari miliaran tetes yang membuat riak cukup besar untuk terlihat. Jika kolamnya kecil, kita mungkin menunggu lama tanpa melihat apa-apa. Jika kolamnya sangat besar dan kita menunggu cukup lama, riak langka itu akhirnya muncul. Detektor neutrino bekerja dengan logika serupa, meskipun proses fisisnya jauh lebih rumit. Karena peluang interaksi satu neutrino sangat kecil, detektor dibuat sangat besar, sangat bersih dari gangguan, dan sering ditempatkan jauh di bawah permukaan untuk mengurangi sinyal palsu dari partikel lain.

Pada akhirnya, mempelajari neutrino adalah mempelajari cara alam menyimpan informasi dalam hal-hal yang hampir tak terlihat. Dari neutrino kita belajar bahwa hukum kekekalan dapat menuntun pada penemuan partikel baru. Dari neutrino Matahari kita belajar bahwa pusat bintang dapat “dibaca” tanpa harus menunggu cahaya keluar. Dari osilasi neutrino kita belajar bahwa partikel elementer memiliki struktur yang lebih halus daripada dugaan awal. Dari supernova kita belajar bahwa ledakan kosmik tidak hanya bercerita lewat cahaya, tetapi juga lewat pembawa pesan yang menembus materi padat. Dari kosmologi kita belajar bahwa partikel sangat ringan pun dapat memengaruhi sejarah pembentukan struktur alam semesta.

Buku ini mengajak Anda mengikuti jejak itu dengan tenang. Setiap bab akan memperkenalkan istilah baru sebelum memakainya secara berat. Setiap gagasan penting akan disertai contoh. Jika suatu konsep terasa asing, itu wajar. Neutrino memang mengajarkan kita bahwa alam tidak berkewajiban mengikuti intuisi sehari-hari. Tugas kita adalah membangun intuisi baru—pelan-pelan, teliti, dan setia pada bukti.

References

Ahmad, Q. R., et al. (SNO Collaboration). (2002). Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory. Physical Review Letters, 89, 011301.

Bahcall, J. N. (1989). Neutrino Astrophysics. Cambridge University Press.

Bionta, R. M., et al. (1987). Observation of a neutrino burst in coincidence with supernova 1987A in the Large Magellanic Cloud. Physical Review Letters, 58, 1494–1496.

Brown, L. M. (1978). The idea of the neutrino. Physics Today, 31(9), 23–28.

Cowan, C. L., Jr., Reines, F., Harrison, F. B., Kruse, H. W., & McGuire, A. D. (1956). Detection of the Free Neutrino: A Confirmation. Science, 124(3212), 103–104.

Fermi, E. (1934). Versuch einer Theorie der β-Strahlen. I. Zeitschrift für Physik, 88, 161–177.

Fukuda, Y., et al. (Super-Kamiokande Collaboration). (1998). Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos. Physical Review Letters, 81, 1562–1567.

Hirata, K., et al. (1987). Observation of a neutrino burst from the supernova SN1987A. Physical Review Letters, 58, 1490–1493.

Workman, R. L., et al. (Particle Data Group). (2022). Review of Particle Physics. Progress of Theoretical and Experimental Physics, 2022, 083C01.