Jauh di kedalaman bumi Dakota Selatan, para ilmuwan terus berupaya mengungkap salah satu misteri alam semesta yang paling membingungkan: hakikat materi gelap. Melalui eksperimen LUX-ZEPLIN (LZ), yang menggunakan detektor paling canggih di dunia, para peneliti mencatat kemajuan signifikan dalam perburuan partikel tak terlihat yang diyakini mendominasi sebagian besar alam semesta. Meskipun materi gelap memegang peranan krusial dalam pembentukan dan pemeliharaan struktur galaksi, pendeteksian langsungnya tetap menjadi tantangan besar dalam dunia fisika modern.
Mempersempit Pencarian Materi Gelap: Eksperimen LUX-ZEPLIN
Eksperimen LUX-ZEPLIN (LZ), yang dikenal sebagai detektor materi gelap paling sensitif yang pernah ada, kini semakin mempersempit pencarian kandidat teoretis utama: partikel masif yang berinteraksi lemah (WIMPs). Para ilmuwan berharap, dengan eksperimen ini, dapat menemukan partikel baru yang akan merevolusi pemahaman kita tentang alam semesta. Lebih dari itu, kemampuan untuk menetapkan batasan tentang apa sebenarnya materi gelap itu, sama pentingnya bagi perkembangan fisika partikel. Keberadaan materi gelap telah lama menjadi misteri, dan eksperimen seperti LZ adalah kunci untuk mengungkapnya.
Lokasi Strategis dan Desain Canggih Detektor Materi Gelap LZ
Eksperimen LUX-ZEPLIN beroperasi di kedalaman hampir satu mil di bawah tanah, tepatnya di Sanford Underground Research Facility (SURF), Dakota Selatan. Lokasi ini dipilih secara cermat untuk melindungi detektor dari radiasi latar yang dapat mengganggu pendeteksian interaksi materi gelap. Detektor ini dirancang untuk menangkap jejak interaksi materi gelap yang sangat lemah. Analisis terbaru dari eksperimen ini berfokus pada pencarian sinyal yang lebih lemah dari sebelumnya, dengan tujuan mempersempit kemungkinan sifat partikel WIMPs. Data yang dianalisis mencakup 280 hari, terdiri dari 220 hari data baru (Maret 2023-April 2024) dan 60 hari dari fase awal. Eksperimen ini dijadwalkan untuk berlangsung hingga tahun 2028, dengan perkiraan total data mencapai 1.000 hari.
Komponen Utama: Xenon Cair Ultramurni dan Outer Detector
Inti dari LZ terdiri dari dua wadah titanium yang berisi 10 ton xenon cair ultrap murni. Xenon cair ini menciptakan lingkungan yang tenang, memungkinkan penangkapan kilatan cahaya kecil yang menandakan tumbukan WIMP dengan inti atom xenon. Selain itu, terdapat lapisan luar detektor, yang disebut Outer Detector (OD). Lapisan ini berisi cairan scintillator bergadolinium yang berfungsi untuk membedakan sinyal asli dari kebisingan latar. Sensitivitas LZ berasal dari berbagai metode yang digunakan untuk mengurangi latar belakang dan sinyal palsu yang dapat menutupi interaksi materi gelap yang sebenarnya.
Mengatasi Tantangan dalam Pendeteksian Materi Gelap
Perlindungan dari Sinar Kosmik
Salah satu tantangan utama dalam pendeteksian materi gelap adalah perlindungan dari gangguan eksternal. Karena itulah, detektor ini ditempatkan jauh di bawah tanah, terlindung dari sinar kosmik yang dapat menghasilkan sinyal palsu. Selain itu, LZ dibangun dari ribuan komponen dengan tingkat radiasi yang sangat rendah untuk meminimalkan radiasi alami dari material di sekitarnya.
Desain Berlapis untuk Eliminasi Sinyal Palsu
Desain LZ berlapis, mirip dengan bawang, di mana setiap lapisan berfungsi untuk memblokir radiasi dari luar atau melacak partikel sehingga sinyal palsu dapat disingkirkan. Analisis data yang canggih juga berperan penting dalam mengeliminasi interaksi non-materi gelap, memastikan bahwa hanya sinyal yang paling mungkin berasal dari WIMP yang dipertimbangkan.
Mengatasi Gangguan Neutron dan Radon
Neutron, partikel subatomik yang terdapat di setiap atom kecuali hidrogen, dapat menjadi pengganggu utama dalam pencarian sinyal WIMP. Outer Detector (OD) dirancang khusus untuk membedakan neutron dari partikel WIMP sejati. Keandalan OD dalam mendeteksi neutron membantu mengonfirmasi deteksi WIMP dengan tidak memberikan respons apa pun. Radon, zat radioaktif alami, juga merupakan "peniru" WIMP yang harus diwaspadai. Para ilmuwan berhasil mengamati seluruh rangkaian peluruhan radon di detektor untuk mengenalinya dan mencegah kekeliruan dengan WIMPs.
Teknik Salting untuk Objektivitas Hasil Penelitian
Untuk menjaga objektivitas hasil dan menghindari bias yang tidak disadari, 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. Hal ini sangat penting untuk memastikan bahwa setiap penemuan benar-benar valid.
Implikasi dan Langkah Selanjutnya dalam Eksperimen LZ
Hasil terbaru ini semakin mempersempit kemungkinan tentang apa sebenarnya WIMPs, membantu ilmuwan di seluruh dunia 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.