Ilmuwan di Sanford Underground Research Facility (SURF), Dakota Selatan, sedang berupaya mengungkap misteri terbesar alam semesta: materi gelap. Eksperimen LUX-ZEPLIN (LZ), yang menggunakan detektor paling sensitif di dunia, mencetak rekor baru dalam pencarian partikel tak kasatmata yang diyakini membentuk sebagian besar alam semesta. Materi gelap, zat tak terlihat yang memengaruhi struktur galaksi, tetap menjadi tantangan utama dalam fisika modern. Meskipun perannya penting dalam pembentukan dan pemeliharaan galaksi, deteksi langsung materi gelap masih menjadi hal yang sulit dipahami. Eksperimen LZ beroperasi di kedalaman hampir satu mil di bawah tanah untuk mencari interaksi materi gelap, terlindung dari radiasi latar. Analisis terbaru mereka menelusuri sinyal yang sangat lemah, mempersempit kemungkinan sifat partikel masif berinteraksi lemah (WIMPs), kandidat utama materi gelap.
Eksperimen LUX-ZEPLIN (LZ): Memburu Materi Gelap
Eksperimen LUX-ZEPLIN (LZ) dirancang khusus untuk mendeteksi partikel materi gelap yang disebut WIMPs. Detektor ini terletak jauh di bawah tanah untuk meminimalkan gangguan dari radiasi kosmik yang dapat menghasilkan sinyal palsu. Di jantung LZ terdapat dua wadah titanium yang berisi 10 ton xenon cair ultra-murni. Lingkungan tenang ini diciptakan untuk menangkap kilatan cahaya kecil yang menandakan tumbukan WIMP dengan inti atom xenon. Lapisan luar detektor, yang disebut Outer Detector (OD), berisi cairan scintillator bergadolinium yang membantu membedakan sinyal asli dari kebisingan latar. Dengan menganalisis data yang terkumpul selama ratusan hari, para peneliti berharap dapat menemukan bukti keberadaan WIMPs dan memahami sifat-sifatnya.
Sensitivitas Detektor dalam Mendeteksi Partikel Tak Terlihat
Sensitivitas LZ berasal dari berbagai cara untuk mengurangi latar belakang, sinyal palsu yang bisa menutupi interaksi dark matter. Detektor ini terlindung dari sinar kosmik karena lokasinya yang jauh di bawah tanah. Selain itu, LZ dibangun dari ribuan komponen dengan tingkat radiasi sangat rendah untuk meminimalkan radiasi alami dari material di sekitarnya. Desainnya berlapis, di mana setiap lapisan memblokir radiasi luar atau melacak partikel agar sinyal palsu dapat disingkirkan. Analisis data canggih juga membantu mengeliminasi interaksi non-materi gelap, memastikan hanya sinyal yang paling mungkin berasal dari WIMP yang dipertimbangkan. Pendekatan multi-faceted ini memungkinkan LZ untuk mencapai tingkat sensitivitas yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Tantangan dan Strategi dalam Pencarian WIMP
Salah satu tantangan utama dalam pencarian WIMP adalah membedakan sinyal asli dari sumber latar belakang. Neutron, partikel subatomik yang terdapat di setiap atom kecuali hidrogen, dapat meniru sinyal WIMP. Untuk mengatasi hal ini, tim LZ menggunakan Outer Detector (OD) yang dirancang khusus untuk mendeteksi neutron. OD sangat andal dalam mendeteksi neutron, sehingga tim dapat membatalkan kandidat sinyal WIMP yang tampak sempurna jika OD memberikan respons. Radon, unsur radioaktif alami, juga merupakan "peniru" WIMP yang harus diwaspadai para ilmuwan. Radon mengalami serangkaian proses peluruhan tertentu, beberapa di antaranya bisa disalahartikan sebagai WIMP. Tim LZ berhasil mengamati seluruh rangkaian peluruhan radon di detektor untuk mengenalinya dan mencegah kekeliruan dengan WIMPs.
Teknik Salting: Menjaga Objektivitas dalam Analisis Data
Untuk menjaga objektivitas hasil dan menghindari bias tak sadar, tim LZ menerapkan teknik yang disebut salting. Teknik ini melibatkan penambahan sinyal palsu WIMP ke dalam data selama pengumpulan. Dengan cara ini, data asli tersamarkan hingga tahap akhir unsalting, memastikan analisis dilakukan secara buta tanpa pengaruh persepsi. Teknik salting adalah langkah penting untuk memastikan bahwa setiap potensi penemuan didasarkan pada bukti yang kuat dan tidak dipengaruhi oleh harapan atau bias yang tidak disengaja.
Masa Depan Eksperimen LZ dan Pencarian Materi Gelap
Dengan hasil yang semakin mempersempit kemungkinan tentang apa sebenarnya WIMPs, ilmuwan di seluruh dunia dapat memfokuskan pencarian dan menyingkirkan model alam semesta yang keliru. Eksperimen LZ juga sensitif terhadap peristiwa langka dari berbagai bidang fisika, seperti neutrino dari Matahari, peluruhan isotop xenon, hingga jenis dark matter lain. Kolaborasi ini kini bersiap menganalisis kumpulan data berikutnya, dengan metode baru untuk mencari dark matter bermassa lebih ringan. Mereka juga meninjau potensi peningkatan kemampuan LZ, sekaligus merancang detektor generasi berikutnya bernama XLZD. Diharapkan, eksperimen-eksperimen ini akan membawa kita lebih dekat untuk mengungkap misteri materi gelap dan memahami alam semesta dengan lebih baik.