Eksperimen LUX-ZEPLIN Ungkap Kemajuan Terbaru dalam Pencarian Materi Gelap

Ilustrasi(Scitechdaily)

JAUH di bawah tanah Dakota Selatan, para ilmuwan semakin mendekati salah satu misteri terbesar di alam semesta. Hakikat sejati dari dark matter atau materi gelap. Dengan detektor paling sensitif di dunia, eksperimen LUX-ZEPLIN (LZ) mencetak rekor baru dalam pencarian partikel tak kasatmata yang diyakini membentuk sebagian besar alam semesta.

Menyingkap Materi Gelap

Misteri dark matter, materi tak terlihat yang membentuk sebagian besar massa alam semesta, masih menjadi tantangan utama fisika modern. Eksperimen LUX-ZEPLIN (LZ), detektor materi gelap paling sensitif di dunia, kini semakin mempersempit pencarian terhadap kandidat teoretis utamanya, partikel masif berinteraksi lemah (WIMPs).

“Meski kami berharap dapat menemukan partikel baru, yang tak kalah penting bagi fisika partikel adalah kemampuan menentukan batasan tentang apa sebenarnya materi gelap itu,” ujar fisikawan UC Santa Barbara, Hugh Lippincott.

Keberadaan dark matter telah lama diduga. Meski perannya penting dalam membentuk serta menjaga struktur galaksi, zat ini masih belum berhasil dideteksi secara langsung.

Satu Mil di Bawah Tanah: Berburu WIMP

Eksperimen LUX-ZEPLIN beroperasi hampir satu mil di bawah tanah di Sanford Underground Research Facility (SURF), Dakota Selatan, untuk mencari jejak interaksi dark matter yang terlindung dari radiasi latar. Analisis terbarunya menelusuri sinyal lebih lemah dari sebelumnya, mempersempit kemungkinan sifat partikel WIMPs.

Peneliti menganalisis 280 hari data, terdiri dari 220 hari baru (Maret 2023-April 2024) dan 60 hari dari fase awal. Hingga eksperimen berakhir pada 2028, total datanya diperkirakan mencapai 1.000 hari.

Di pusat LZ terdapat dua wadah titanium berisi 10 ton xenon cair ultrap murni, menciptakan lingkungan tenang untuk menangkap kilatan cahaya kecil yang menandakan tumbukan WIMP dengan inti atom xenon. Lapisan luar detektor, Outer Detector (OD), berisi cairan scintillator bergadolinium yang membantu membedakan sinyal asli dari kebisingan latar.

Perisai dari Alam Semesta: Mengurangi Gangguan

Sensitivitas LZ berasal dari berbagai cara untuk mengurangi latar belakang, sinyal palsu yang bisa menutupi interaksi dark matter.

Terletak jauh di bawah tanah, detektor ini terlindung dari sinar kosmik. Untuk meminimalkan radiasi alami dari material di sekitarnya, LZ dibangun dari ribuan komponen dengan tingkat radiasi sangat rendah. Desainnya berlapis seperti bawang, 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.

Neutron: Penipu yang Sulit Dideteksi

Neutron, partikel subatomik yang terdapat di setiap atom kecuali hidrogen, menjadi salah satu pengganggu utama dalam pencarian sinyal WIMP. Nelson dan tim UCSB memimpin desain Outer Detector, komponen penting yang memungkinkan tim membedakan neutron dari partikel WIMP sejati.

“Yang rumit dari neutron adalah mereka juga berinteraksi dengan inti xenon, menghasilkan sinyal yang sama persis seperti yang kami harapkan dari WIMP,” kata Trask.

“OD sangat andal dalam mendeteksi neutron, dan justru mengonfirmasi deteksi WIMP dengan tidak memberikan respons apa pun.” Dengan kata lain, adanya pulsa dalam OD akan membatalkan kandidat sinyal WIMP yang tampak sempurna.

Radon dan Peniru Materi Gelap Lainnya

Radon juga merupakan “peniru” WIMP yang harus diwaspadai para ilmuwan. “Radon mengalami serangkaian proses peluruhan tertentu, beberapa di antaranya bisa disalahartikan sebagai WIMP,” jelas Bargemann.

“Salah satu hal yang berhasil kami lakukan pada fase ini adalah mengamati seluruh rangkaian peluruhan radon di detektor untuk mengenalinya dan mencegah kekeliruan dengan WIMPs.”

‘Menyamarkan Data’: Mencegah Bias Manusia

Untuk menjaga objektivitas hasil dan menghindari bias tak sadar, tim LZ menerapkan teknik yang disebut salting, menambahkan 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.

“Kami sedang mendorong batas pencarian ke wilayah yang belum pernah dijelajahi manusia dalam mencari materi gelap sebelumnya,” kata Haselschwardt.

“Ada kecenderungan alami manusia untuk melihat pola dalam data, jadi sangat penting memastikan tidak ada bias yang menyusup. Jika kamu menemukan sesuatu, kamu ingin memastikan itu benar.”

Mempersempit Kemungkinan: Menuju Temuan Baru

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 kami juga sensitif terhadap peristiwa langka dari berbagai bidang fisika, seperti neutrino dari Matahari, peluruhan isotop xenon, hingga jenis dark matter lain,” ujar Chami Amarasinghe. “Dengan hasil kuat ini, saya sangat bersemangat untuk memperluas pencarian.”

Fisikawan Harry Nelson menambahkan bahwa UCSB memiliki sejarah panjang dalam penelitian materi gelap sejak 1988, serta menyebut para pendahulu seperti David Caldwell, Michael Witherell, dan David Hale yang memelopori teknik deteksi modern. “UCSB, melalui dukungan akademik dan swasta, telah berkontribusi besar pada proyek LZ,” ujarnya.

Kolaborasi Global dan Masa Depan LZ

Eksperimen LZ merupakan hasil kerja sama sekitar 250 ilmuwan dari 38 institusi di Amerika Serikat, Inggris, Portugal, Swiss, Korea Selatan, dan Australia. Sebagian besar pekerjaan perakitan, pengoperasian, dan analisis dilakukan oleh peneliti muda.

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.

LZ didukung oleh U.S. Department of Energy, Office of Science, dan National Energy Research Scientific Computing Center. Dukungan tambahan datang dari Science & Technology Facilities Council (UK), Portuguese Foundation for Science and Technology, Swiss National Science Foundation, dan Institute for Basic Science (Korea).

Sebanyak lebih dari 38 institusi pendidikan tinggi dan riset turut berkontribusi dalam proyek ini, sementara Sanford Underground Research Facility menjadi mitra penting dalam mendukung seluruh kegiatan LZ dan tim UCSB. (scitechdaily/Z-2)