Mengenal Partikel Neutrino, Prospek Teknologi Komunikasi Masa Depan

Oleh: Apriadi Adam

Alam semesta kita terdiri atas komponen-komponen dasar dan interaksi diantara komponen-komponen dasar tersebut satu sama lain.

Konsep interaksi dipakai untuk menjelaskan keterkaitan dinamis antar objek-objek yang kita amati atau tinjau.

Saat ini setidaknya diketahui ada empat interaksi fundamental yang ada di alam semesta, yang bertanggung jawab terhadap berbagai interaksi antar materi.

Keempat interaksi tersebut adalah interaksi gravitasi, interaksi elektromagnetik, interkasi lemah dan interaksi kuat. Pada tahun 1960an, S. L. Glashow, A. Salam, and S. Weinberg mengusulkan suatu model untuk menjelaskan interaksi kuat, interaksi lemah dan interaksi elektromagnetik dalam satu teori yang padu.

Model ini kemudian dikenal dengan Model Standar fisika partikel.

Baca juga: Targetkan Sel Kanker, Para Ilmuwan Gunakan Partikel Nano

Secara ringkas, model ini terdiri atas family quark (yaitu partikel up, down, charm, strange, top dan bottom) dan family lepton (elektron, neutrino elektron, muon, neutrino muon, tau dan neutrino tau).

Adapula partikel yang bertanggungjawab sebagai pembawa/perantara interaksi, yaitu graviton (interkasi gravitasi, sampai saat ini belum terdeteksi), gluon (interkasi kuat), foton (interaksi elektromagnetik), Z dan W (interaksi lemah) dan partikel Higgs.

Keseluruhan partikel ini dibedakan lagi jenisnya berdasarkan spin menjadi dua, yaitu partikel fermion (spin-1/2, partikel quark dan lepton selain partikel pembawa interaksi) dan partikel boson (spin-0, yaitu partikel Higgs dan spin-1 untuk seluruh partikel pembawa interaksi).

Pada bagian berikutnya dari artikel ini, kita akan fokus berdiskusi tentang partikel neutrino (lepton dan berspin-1/2) dan foton (pembawa interaksi dan berspin-1).

Dalam kerangka model standar ini, partikel neutrino dianggap tidak bermassa. Padahal dari pengamatan eksperimen osilasi neutrino (fenomena perubahan jenis partikel yang berubah secara berkala atau bolak-balik antara dua jenis partikel), misalnya Super Kamiokande di Jepang, menunjukkan bahwa partikel neutrino memiliki massa meskipun sangat kecil.

Dalam hal ini yang teramati adalah selisih kuadrat mass diantara neutrino aktif (misalnya kuadrat massa neutrino muon dikurangi kuadrat mass neutrino elektron, m_21^2 dan seterusnya).

Dalam Gambar 1, contoh yang ada di eksperimen, neutrino elektron datang dari matahari akan berosilasi menjadi neutrino muon.

Namun, sampai saat ini tidak diketahui nilai massa tunggal untuk satu jenis neutrino (massa neutrino elektron saja, muon saja, atau tau saja) dan hanya diketahui selisih kuadrat massa antar dua jenis neutrino sebagaimana dijelaskan sebelumnya.

Adapula sifat lain dari partikel neutrino, yaitu partikel ini hanya berinterkasi secara lemah dan gravitasi serta tidak bermuatan (bermuatan netral).

Lebih jauh lagi, dari teori-teori yang telah diusulkan, jenis massa untuk partikel neutrino diketahui terbagi menjadi dua yaitu, Dirac dan Majorana.

Sampai saat ini pun belum bisa ditentukan apakah partikel neutrino adalah jenis Majorana atau Dirac, terkecuali eksperimen peluruhan beta ganda tanpa neutrino (neutrinoless double beta decay) terkonfirmasi (ekperimen peluruhan radioaktif yang membuktikan bahwa partikel neutrino adalah jenis Majorana).

dok. pribadi Gambar 1: Diagram neutrino yang berosilasi antar jenis (Gambar diambil dari halaman J-PARC).

Lebih jauh lagi, partikel ini memilki sifat lain yang unik, yaitu ketika seseorang ingin mengobservasi partikel ini, maka akan teramati berbarengan dengan jenis partikel fermion dari generasi yang sama (partikel fermion tediri atas tiga generasi, baik quark dan lepton.

Untuk lepton, elektron dan (anti-)neutrino elektron, muon dan (anti-)neutrino muon, serta tau dan (anti-)neutrino tau adalah generasi pertama, kedua serta ketiga secara berturut-turut).

Misalnya dalam sebuah reaksi ditemukan hasil reaksi berupa muon, maka juga berbarengan akan teramati neutrino muon atau anti-neutrino muon dan seterusnya.

Baca juga: Tanpa Disadari, Partikel Plastik Ada di Udara yang Kita Hirup

Oleh karena itu, mengetahui sifat dan karakteristik partikel neutrino seperti bagaimana massa dan energinya, jenis Majorana atau Dirac serta bagaimana partikel ini berevolusi (menjalar) terhadap waktu, adalah aspek-aspek yang penting untuk mengetahui bagaimana pemanfaatannya di masa depan.

Untuk melihat bagaimana pemanfaatan partikel neutrino, mari kita lihat uraian pemanfaatan partikel foton (pembawa rekasi elektromagnetik seperti cahaya, gelombang radio dan Sinar-X) secara singkat analog dengan partikel neutrino.

Mirip seperti neutrino, partikel foton juga tidak bermassa dan bermuatan netral serta merupakan partikel pembawa gaya elektromagnetik, sehingga pemanfaatanya dapat ditemui dalam gelombang radio.

dok. pribadi Gambar 2: Proses pemanfaatan gelombang elektromagnetik pada telpon gengam atau ponsel pintar untuk komunikasi.

Orang-orang memanfaatkan gelombang radio, ketika zaman dulu bahkan sampai zaman modern saat ini, sebagai media/alat komunikasi dari satu tempat ke tempat lain melalui satelit (Gambar 2).

Jenis gelombang yang dipakai adalah radiasi/ gelombang elektromagnetik yang spektrumnya lebih lebar dari cahaya inframerah (infrared) dengan frekuensinya dari 300 GHz sampai dengan paling rendah 3 KHz.

Pada bagian berikutnya akan dipaparkan bagaimana kemungkinan pemanfaatan partikel neutrino untuk teknologi komunikasi masa depan.

Neutrino salah satu kunci menguasai teknologi komunikasi di masa depan

Partikel neutrino dapat berperan dalam reaksi nuklir untuk bom atom, karena dapat bereaksi dengan plutonium yang merupakan sisa dari uranium yang dipakai dalam reaktor nuklir.

Di sisi lain partikel ini juga dapat dimanfaatkan dalam memonitoring reaktor nuklir remotely dan real-time, seperti yang dilakukan oleh badan internasional atom dan energi, sehingga dapat diketahui seberapa besar plutonium yang terpakai.

Baca juga: Anggur di California Terpapar Partikel Radioaktif Fukushima, Kok Bisa?

Dengan demikian dapat diketahui berapa jumlah plutonium tersisa dan memastikan tidak digunakan untuk tujuan berbahaya lain.

Seperti dinyatakan dalam artikel dan media online, neutrino beam (sinar neutrino) dengan tingkat energi sekitar 1000 TeV (tera elektron volt) dapat digunakan untuk meleburkan bom atom seketika.

Secara teori, generatornya (yaitu alat yang menggunakan suatu reaksi untuk menghasilkan energi yang lebih tinggi) dapat dibangun, tetapi harus disiapkan generator yang seratus kali lebih kuat diantara akselerator (yaitu sebuah sarana/alat yang dapat menambah kecepatan partikel/materi) yang sudah ada sekarang dan dengan lebar 1000 kilometer.

Seperti diungkapkan oleh Hagura dan Sanami, peneliti KEK Jepang, alat beam ini akan meleburkan bom atom tanpa mentrigger reaksi nuklir berantainya.

Baca juga: Teleskop Radio, Cara Dunia Mengenal Alam Semesta

Prospek Radio Neutrino

Salah satu pemanfaatan neutrino yang sangat menjanjikan ke depan adalah pemanfaatan untuk radio, yang disebut dengan radio neutrino.

Merujuk artikel J.A. Aguilar et al 2021, saat ini telah dibangun observator radio neutrino di kutub selatan dan melibatkan beberapa negera eropa dan Asia.

Alat ini dimaksudkan, untuk mencari dan mendeteksi neutrino berenergi sangat tinggi (Gambar 3). Ini tidak lain adalah upaya untuk mempelajari sifat-sifat neutrino dan bagaimana pemanfaatannya.

dok. Apriadi Adam Gambar 3: Skema observator radio neutrino [10]

dok. Apriadi Adam Gambar 4: Skema pemanfaatan partikel neutrino untuk radio/komunikasi

Harapannya bekal sifat-sifat neutrino yang telah dipelajari akan dimanfaatkan dengan cara yang sama untuk foton, sehingga akan ada media komunikasi dengan gelombang dengan penjalaran neutrino.

Karena neutrino ini berinteraksi sangat lemah, maka dapat dimungkinkan juga alat radio komunikasi neutrino tanpa perlu lewat satelit, karena kita bisa lansung berkomunikasi antar telpon (Gambar 4).

Untuk penelitian ke depan, diharapkan penelitian-penelitian di ranah dasar (fundamental) perlu ditingkatkan dan dikembangkan, khususnya yang berkaitan dengan penelitian tentang partikel neutrino dari segi teori maupun eksperimen.

Penelitian tentang sifat-sifat neutrino sangat penting untuk mengetahui bagaimana partikel ini dapat dimanfaatkan untuk teknologi masa depan. Salah satu pemanfaatannya adalah untuk teknologi komunikasi modern.

Apriadi Salim Adam Sc.D

Peneliti Pusat Penelitian Fisika Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia