Salah satu peristiwa terpenting dalam Tahun Ilmu Pengetahuan seharusnya adalah peluncuran teleskop neutrino raksasa di Danau Baikal. Itu terjadi pada 12 Maret. Dmitry Naumov, Wakil Direktur Laboratorium Masalah Nuklir dari Lembaga Bersama untuk Riset Nuklir, Doktor Ilmu Fisika dan Matematika, berbicara kepada RG tentang pentingnya fasilitas ini bagi sains Rusia dan dunia.
- Dmitry Vadimovich, agar pembayar pajak memahami dan setuju untuk menghabiskan hampir 10 miliar dolar untuk pembuatan Large Hadron Collider yang terkenal, para ilmuwan mengemas boson Higgs dalam bungkus yang indah - gambar dari "partikel ilahi". Dia menutup Model Standar yang terkenal, yang diakui sebagai pencapaian paling luar biasa dari teori fisika abad ke-20, dan menjelaskan dari mana asal massa. Dan bagaimana meyakinkan kita bahwa kita perlu membiarkan jutaan orang berburu neutrino yang tidak bisa dimengerti. Partikel ini bahkan hampir tidak memiliki massa. Singkatnya, mengapa neutrino terperangkap di kedalaman Danau Baikal?
Dmitry Naumov: Saya akan memberikan analogi ini. Para arkeolog sedang melakukan penggalian untuk memahami evolusi umat manusia, untuk memahami sejarah kita yang jauh. Jadi, neutrino memungkinkan melihat sekilas sejarah Alam Semesta. Cari tahu apa yang terjadi di dalamnya jutaan dan bahkan milyaran tahun yang lalu. Bagaimana galaksi lahir dan berkembang. Neutrino-lah yang dapat menjadi alat untuk merekonstruksi peristiwa-peristiwa yang telah berlangsung lama ini.
- Bukankah mungkin teleskop dan observatorium berbasis darat raksasa yang terletak di luar angkasa?
Dmitry Naumov: Pertama, teleskop semacam itu tidak dapat melihat semuanya. Faktanya adalah bahwa cahaya mungkin tidak keluar dari daerah padat dan panas di Semesta atau sinyalnya bisa berubah tanpa bisa dikenali. Kedua, agar teleskop optik memiliki tempat untuk melihat, mereka perlu menentukan alamat yang tepat. Bagaimanapun, langit sangat besar, teleskop tidak mampu mengobrak-abrik langit tanpa akhir untuk mencari objek menarik. Mereka membutuhkan alamat seakurat mungkin agar dapat berkonsentrasi di sana sebanyak mungkin dan melakukan pengamatan dari hari ke hari, dari bulan ke bulan. Ini adalah proses yang panjang dan melelahkan. Jadi, neutrino adalah penanda alamat ruang angkasa. Faktanya, di depan mata kita, sebuah sains baru sedang lahir - astronomi neutrino. Sampai baru-baru ini tampaknya seperti fantasi, tetapi sekarang sudah menjadi kenyataan.
– . . , , , , . : . , . ?
Dmitry Naumov: Gim ini didasarkan pada fitur utama neutrino - berinteraksi sangat lemah dengan materi, yang hampir transparan untuk partikel ini. Bagaimana cara menangkapnya jika dia menghindari kontak? Katakanlah, dari Matahari, partikel-partikel ini mencapai Bumi, dan triliunan neutrino per detik melewati setiap sentimeter persegi. Tapi kami tidak menyadarinya sama sekali. Kami seperti ruang kosong bagi mereka. Misalnya, untuk menangkap setengah dari neutrino yang dipancarkan Matahari, seluruh wilayah luar angkasa harus diisi dengan timbal dari kita ke bintang terdekat Alpha Centauri.
- Neutrino akan memungkinkan Anda untuk melihat ke dalam sejarah alam semesta, mencari tahu apa yang terjadi di dalamnya jutaan dan bahkan milyaran tahun yang lalu, bagaimana galaksi lahir dan berkembang
Dmitry Naumov: Kelemahan interaksi semacam itu membingungkan fisikawan - bagaimana melihatnya, bagaimana cara mengatasinya? Fisikawan Jerman, pemenang Hadiah Nobel Wolfgang Pauli, yang menemukan neutrino secara teoritis, umumnya percaya bahwa kita tidak akan pernah bisa melihat partikel ini. Tapi jangan meremehkan kecerdikan para peneliti! Mereka belajar menangkap partikel menakjubkan ini dan merekonstruksi sejarah alam semesta. Apalagi kelemahan interaksi neutrino ternyata sangat berguna!
- Bagaimana Anda bisa mengubah kerugian ini menjadi martabat?
Dmitry Naumov: Di sini kita perlu kembali ke miliaran tahun, ketika galaksi pertama baru saja muncul di alam semesta kita. Kemudian setiap bintang berjuang mati-matian untuk keberadaannya. Yang lebih beruntung melahap tetangga kecil mereka dan menjadi lebih besar. Ini terjadi hingga bintang yang tak pernah puas berubah menjadi lubang hitam, yang hampir tidak berpendar lagi. Tapi sudah tak terlihat, ia terus melahap tetangganya, menambah massanya hingga jutaan bahkan milyaran massa matahari. Selain itu, material yang jatuh di lubang memanas dan bersinar sangat kuat. Keajaiban dunia ini disebut "inti galaksi aktif".
Apa yang penting untuk ditekankan? Baik gelombang elektromagnetik, atau proton, atau elektron, atau apa pun tidak bisa keluar dari neraka semacam itu tanpa kehilangan energi awal dan arah gerak. Hanya neutrino. Inilah fenomena mereka. Inilah mengapa kelemahan interaksi mereka merupakan keuntungan besar. Hal terpenting adalah neutrino yang terbang ke Bumi tidak berubah, yang berarti mereka membawa informasi berharga tentang peristiwa di Alam Semesta yang terjadi miliaran tahun yang lalu, serta alamatnya.
- Selama hampir sepuluh tahun di Antartika, teleskop Amerika IceCube telah menangkap neutrino. Selama bertahun-tahun, hasil tangkapannya, terus terang, tidak kaya, sekitar 100 partikel. Apa yang bisa direkonstruksi dengan menggunakan mereka?
Dmitry Naumov: Eksperimen Kutub Selatan berhasil membuat penemuan yang luar biasa. Para ilmuwan telah menemukan bahwa neutrino dengan energi yang sangat besar melebihi energi neutrino matahari hingga ratusan juta dan bahkan milyaran kali memang ada. Ini berarti bahwa di suatu tempat di Semesta terdapat akselerator alami yang mampu mempercepat partikel menjadi energi sedemikian rupa sehingga kita di Bumi dengan akselerator kita sama sekali tidak mampu melakukannya. Apakah ini penemuan penting?
- Saya pikir ya.
Dmitry Naumov: Jadi bahkan satu neutrino sudah cukup baginya, dan 100 hanyalah hadiah dari alam. Tapi di manakah letak akselerator alami ini? Mekanisme fisik apa yang mengaturnya? Sedangkan hipotesisnya berbeda-beda. Dan kami berharap bahwa neutrino yang kami tangkap akan dapat menunjukkan dengan tepat arah yang seharusnya dilihat oleh teleskop biasa.
Eksperimen Kutub Selatan menggunakan es sebagai media yang berinteraksi dengan neutrino. Tapi es menghamburkan cahaya dengan kuat, jadi masih sulit untuk menentukan dengan presisi tinggi alamat tempat lahirnya neutrino. Di sinilah teleskop neutrino Baikal berperan. Dia memiliki akurasi menentukan alamat beberapa kali lebih baik daripada di teleskop es. Dan ada harapan untuk menemukan sumber neutrino!
- Bagaimana teleskop kita terlihat di sebelah American IceCube?
Dmitry Naumov: Kelihatannya lumayan. Kami mulai membangun teleskop pada tahun 2015, dan IceCube mulai bekerja pada tahun 2010. Oleh karena itu, kami masih lebih kecil, tetapi cukup sedikit. Teleskop neutrino Baikal sudah menjadi yang terbesar di belahan bumi utara dengan volume efektif 0,35 kilometer kubik. Tahun ini kami akan mengejar "orang selatan" dengan indikator ini, sehingga volumenya menjadi 0,4 kilometer kubik. Nantinya, angka ini akan menjadi sekitar satu kilometer kubik. Pada saat yang sama, seperti yang saya katakan, akurasi penentuan arah teleskop Baikal jauh lebih baik.
Saya ingin menekankan sebuah poin fundamental. Meskipun persaingan selalu ada, begitulah cara dunia modern bekerja, para ilmuwan memahami bahwa bekerja sama jauh lebih efektif. Oleh karena itu, teleskop Baikal kami dan teleskop Amerika, serta teleskop yang sedang dibangun di Laut Mediterania KM3NeT, semuanya melakukan tujuan yang sama. Kami bersatu menjadi satu Jaringan Neutrino Global.
- Teleskop Amerika berharga $ 270 juta, dan harga teleskop kami beberapa kali lebih murah. Mengapa?
Dmitry Naumov: Kami hanya beruntung. Di Baikal, dua bulan dalam setahun, permukaan danau ditutupi lapisan es setinggi satu meter. Ini memungkinkan kami memasang teleskop dengan murah dan sederhana dan bahkan memperbaiki bagian yang rusak. Di Kutub Selatan, rekan kerja harus memanaskan lubang di es dengan diameter sekitar satu meter dan kedalaman hampir tiga kilometer untuk membenamkan detektor mereka di sana. Itu sangat mahal. Selain itu, pengiriman detektor ke Baikal dengan infrastruktur kereta api yang dikembangkan jauh lebih mudah dan lebih murah daripada operasi khusus untuk pengiriman peralatan ke Kutub Selatan.
- Siapa yang berpartisipasi dalam pembuatan teleskop kami?
Dmitry Naumov: Ilmuwan dari Institut Riset Nuklir Moskow dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia adalah pelopor di negara kita dan di dunia. Mereka telah membuat lini penelitian ini sejak 1980-an. Dan sekarang, bersama dengan Institut Bersama untuk Penelitian Nuklir dari Dubna, mereka memainkan peran utama dalam proyek tersebut. Selain itu, para ilmuwan dan insinyur dari Irkutsk State University, Nizhny Novgorod State Technical University, St. Petersburg State Marine Technical University, Institute of Experimental and Applied Physics dari Czech Technical University (Praha, Republik Ceko), Fakultas Matematika, Fisika dan Informatika Universitas dinamai Ya.A. Komensky (Bratislava, Slovakia), Institut Fisika Nuklir Akademi Ilmu Pengetahuan Polandia (Krakow, Polandia), EvoLogics GmbH (Berlin, Jerman).
Bagaimana teleskop menangkap neutrino
Untuk menangkap neutrino, Anda memerlukan substansi paling transparan dalam jumlah besar yang berinteraksi dengannya. Selain itu, teleskop harus dilindungi dari berbagai proses latar belakang. Untuk ini, pemasangannya ditenggelamkan hingga kedalaman 750 m hingga 1,4 km. Serangkaian 36 modul optik (pengganda foto dan elektronik) ditambatkan ke dasar danau. Saat partikel melewati kolom air, bagian dari neutrino akan "tersandung" pada inti molekul air. Akibat interaksi ini, partikel-partikel baru lahir, yang akan bersinar dengan radiasi Cherenkov kebiruan. Itu terdaftar oleh modul optik teleskop. Sekarang volume efektif air dari instalasi, yang terlibat dalam pencarian neutrino, mencapai 0,35 km kubik, dan di masa depan akan bertambah menjadi satu km kubik. Jumlah total modul optik akan melebihi 2300 buah.
Hasrat serius berkecamuk di sekitar neutrino dalam dunia ilmiah. Faktanya adalah bahwa fisikawan selama lebih dari sepuluh tahun tidak dapat memahami mengapa hukum kekekalan energi tidak terpenuhi dalam salah satu fenomena fisika yang paling mendasar. Pertanyaannya begitu tajam sehingga pada tahun 1931 fisikawan Denmark yang terkenal Niels Bohr mengemukakan gagasan revolusioner tentang nonkonservasi energi. Namun, ada penjelasan lain - energi yang "hilang" terbawa oleh partikel yang tidak diketahui dan tidak terlihat. Hipotesis keberadaannya dikemukakan pada tahun 1930 oleh ahli teori Jerman Wolfgang Pauli. Tetapi itu tidak akan pernah ditemukan, karena tidak berinteraksi dengan apa pun. Tentang ini, ilmuwan itu bertaruh pada sekotak sampanye dengan temannya. Dan pada 15 Juni 1956, dia menerima telegram dari fisikawan Amerika Reines dan Cowen bahwa mereka telah menemukan partikel baru - neutrino.
Sumber