Beberapa ribu sensor yang tersebar di satu kilometer persegi dekat Kutub Selatan bertugas menjawab salah satu pertanyaan besar yang belum terselesaikan dalam fisika: apakah gravitasi kuantum itu ada? Sensor memantau neutrino—partikel tanpa muatan listrik dan hampir tanpa massa—yang tiba di Bumi dari luar angkasa. Sebuah tim dari Niels Bohr Institute (NBI), Universitas Kopenhagen, telah berkontribusi dalam mengembangkan metode yang mengeksploitasi data neutrino untuk mengungkap apakah gravitasi kuantum ada.
“Jika seperti yang kami yakini, gravitasi kuantum memang ada, maka hal ini akan berkontribusi pada penyatuan dua dunia saat ini dalam fisika. Saat ini, fisika klasik menggambarkan fenomena di lingkungan normal kita seperti gravitasi, sedangkan dunia atom hanya dapat dijelaskan menggunakan mekanika kuantum.
“Penyatuan teori kuantum dan gravitasi masih menjadi salah satu tantangan terbesar dalam fisika fundamental. Akan sangat memuaskan jika kita dapat berkontribusi untuk mencapai tujuan tersebut,” kata Tom Stuttard, Asisten Profesor di NBI.
Stuttard adalah salah satu penulis artikel yang diterbitkan oleh jurnal tersebut Fisika Alam. Artikel ini menyajikan hasil penelitian besar yang dilakukan oleh tim NBI dan rekan-rekannya di Amerika. Lebih dari 300,000 neutrino telah dipelajari.
Namun, ini bukanlah jenis neutrino paling menarik yang berasal dari sumber di luar angkasa. Neutrino dalam penelitian ini tercipta di atmosfer bumi, ketika partikel berenergi tinggi dari luar angkasa bertabrakan dengan nitrogen atau molekul lain.
“Melihat neutrino yang berasal dari atmosfer bumi memiliki keuntungan praktis karena mereka jauh lebih umum dibandingkan saudaranya yang berasal dari luar angkasa. Kami membutuhkan data dari banyak neutrino untuk memvalidasi metodologi kami. Hal ini telah tercapai sekarang. Oleh karena itu, kami siap memasuki fase berikutnya di mana kami akan mempelajari neutrino dari luar angkasa,” kata Stuttard.
Bepergian tanpa gangguan melalui Bumi
Observatorium IceCube Neutrino terletak di sebelah Stasiun Kutub Selatan Amundsen-Scott di Antartika. Berbeda dengan kebanyakan fasilitas astronomi dan astrofisika lainnya, IceCube berfungsi paling baik untuk mengamati ruang angkasa di sisi berlawanan Bumi, yaitu belahan bumi utara. Hal ini karena meskipun neutrino mampu menembus planet kita—dan bahkan inti planet kita yang panas dan padat—partikel lain akan terhenti, sehingga sinyalnya jauh lebih bersih bagi neutrino yang datang dari belahan bumi utara.
Fasilitas IceCube dioperasikan oleh Universitas Wisconsin-Madison, AS. Lebih dari 300 ilmuwan dari negara-negara di seluruh dunia terlibat dalam kolaborasi IceCube. Universitas Kopenhagen adalah salah satu dari lebih dari 50 universitas yang memiliki pusat IceCube untuk studi neutrino.
Karena neutrino tidak memiliki muatan listrik dan hampir tidak bermassa, neutrino tidak terganggu oleh gaya elektromagnetik dan nuklir kuat, sehingga memungkinkannya melakukan perjalanan miliaran tahun cahaya melintasi alam semesta dalam keadaan aslinya.
Pertanyaan kuncinya adalah apakah sifat-sifat neutrino sebenarnya tidak berubah sama sekali saat ia bergerak dalam jarak yang jauh atau memang ada perubahan kecil yang nyata.
“Jika neutrino mengalami perubahan halus seperti yang kami duga, ini akan menjadi bukti kuat pertama adanya gravitasi kuantum,” kata Stuttard.
Neutrino hadir dalam tiga rasa
Untuk memahami perubahan sifat neutrino mana yang dicari tim, diperlukan beberapa informasi latar belakang. Meskipun kita menyebutnya sebagai partikel, apa yang kita amati sebagai neutrino sebenarnya adalah tiga partikel yang diproduksi bersama, yang dalam mekanika kuantum dikenal sebagai superposisi.
Neutrino dapat memiliki tiga konfigurasi dasar—rasa sebagaimana diistilahkan oleh fisikawan—yaitu elektron, muon, dan tau. Konfigurasi mana yang kita amati berubah seiring perjalanan neutrino, sebuah fenomena yang sangat aneh yang dikenal sebagai osilasi neutrino. Perilaku kuantum ini dipertahankan selama ribuan kilometer atau lebih, yang disebut sebagai koherensi kuantum.
“Dalam sebagian besar eksperimen, koherensinya segera rusak. Namun hal ini diyakini bukan disebabkan oleh gravitasi kuantum. Sangat sulit untuk menciptakan kondisi sempurna di laboratorium. Anda menginginkan ruang hampa yang sempurna, tetapi entah bagaimana beberapa molekul berhasil menyelinap masuk, dll.
“Sebaliknya, neutrino bersifat istimewa karena tidak terpengaruh oleh materi di sekitarnya, jadi kita tahu bahwa jika koherensi rusak, hal ini bukan disebabkan oleh kekurangan dalam pengaturan eksperimental buatan manusia,” jelas Stuttard.
Banyak kolega yang skeptis
Ditanya apakah hasil penelitian tersebut dipublikasikan di Fisika Alam seperti yang diharapkan, peneliti menjawab, “Kami berada dalam kategori proyek sains yang langka, yaitu eksperimen yang tidak memiliki kerangka teoritis yang mapan. Jadi, kami tidak tahu apa yang diharapkan. Namun, kami tahu bahwa kami dapat mencari beberapa sifat umum yang mungkin dimiliki oleh teori gravitasi kuantum.”
“Meskipun kami memiliki harapan untuk melihat perubahan terkait gravitasi kuantum, fakta bahwa kami tidak melihatnya tidak mengesampingkan bahwa perubahan tersebut nyata. Ketika neutrino atmosfer terdeteksi di fasilitas Antartika, biasanya neutrino tersebut telah melakukan perjalanan melalui Bumi. Artinya kira-kira 12,700 km—jarak yang sangat pendek dibandingkan dengan neutrino yang berasal dari alam semesta jauh. Tampaknya, jarak yang lebih jauh diperlukan agar gravitasi kuantum dapat memberikan dampak, jika memang ada,” kata Stuttard, seraya mencatat bahwa tujuan utama penelitian ini adalah untuk menetapkan metodologinya.
“Selama bertahun-tahun, banyak fisikawan meragukan apakah eksperimen dapat menguji gravitasi kuantum. Analisis kami menunjukkan bahwa hal ini memang mungkin terjadi, dan dengan pengukuran di masa depan dengan neutrino astrofisika, serta detektor yang lebih tepat yang akan dibangun pada dekade mendatang, kami berharap pada akhirnya dapat menjawab pertanyaan mendasar ini.”