Surat Izin ke Pesta Dansa dan Lima Nobel Fisika

tirto.id - Meski Francis Halzen baru diumumkan sebagai pemenang Hadiah Nobel Fisika pada 2026, sejarahnya bisa ditarik hingga rentang 1930-an, ketika Wolfgang Pauli menulis surat untuk rekannya. Tepatnya pada 4 Desember 1930, fisikawan asal Austria tersebut mangkir dari konferensi ilmiah di Tubingen, Jerman, lalu berkabar ke sejawatnya bahwa ia lebih memilih datang ke sebuah pesta dansa di Zurich, Swiss.

Siapa sangka, surat yang dibuka dengan sapaan ikonik "Dear Radioactive Ladies and Gentlemen…" itu memantik upaya pencarian neutrino, sesuatu yang dijuluki sebagai “partikel hantu”. Sekarang upaya penelitian seputar partikel tersebut sudah menghasilkan lima Nobel Fisika, merentang dari Frederick Reines sampai Francis Halzen.

Berikut penggalan surat tersebut:

Dari surat itulah perjalanan "partikel hantu" bermula. Hipotesis awal dari Pauli, yang mulanya dirumuskan semata untuk mempertahankan berlakunya hukum kekekalan energi, secara perlahan bergeser jadi pembuktian empiris melalui serangkaian eksperimen laboratorium, sampai akhirnya berkembang jadi sarana baru bagi umat manusia untuk memahami mekanisme alam semesta.

Untuk memahami alasan fisikawan sampai memburu partikel sekecil itu, kita perlu kembali ke perkara yang membuat Pauli mengusulkannya.

Itulah asal mula julukan "partikel hantu". Triliunan neutrino bisa melintas melalui tubuh manusia setiap detik tanpa kita sadari. Sifat yang membuat neutrino begitu sulit ditangkap membuatnya berharga bagi fisikawan.

Karena jarang berinteraksi dengan materi, neutrino bisa menempuh jarak jauh tanpa banyak terganggu, termasuk di antaranya menembus bumi -hal yang akhirnya menginspirasi teleskop bikinan Francis Halzen ditanam di bawah es di Kutub Selatan (memenangkan Nobel Fisika 2026). Partikel neutrino akhirnya jadi semacam pembawa pesan dari tempat-tempat yang sulit diamati, mulai dari inti Matahari sampai ledakan bintang dan sumber kosmik berenergi tinggi.

Surat Pauli dan Nobel Fisika 1995: Membuktikan Eksistensi Neutrino

Pada akhir 1920-an, fisikawan sedang berhadapan dengan masalah peluruhan beta. Saat sebuah inti atom mengalami peluruhan, elektron yang dipancarkan tidak selalu membawa jumlah energi sama. Energinya justru tersebar dalam sebuah rentang.

Masalahnya, hukum kekekalan energi tidak membiarkan energi muncul atau lenyap begitu saja. Energi tidak bisa diciptakan atau dimusnahkan, hanya bisa berubah bentuk dari satu jenis ke jenis lainnya.

Saat mengusulkannya, Pauli belum memiliki bukti eksistensi partikel tersebut. Ia hanya menemukan cara agar hitung-hitungan hukum kekekalan energi kembali masuk akal. Masalahnya, kalau neutrino benar-benar ada, bagaimana manusia bisa menangkap sesuatu yang hampir tidak pernah berinteraksi dengan materi?

Selama lebih dari dua dekade sesudah surat Pauli dibacakan di konferensi ilmiah di Tubingen, neutrino tetap berada di wilayah abu-abu antara teori dan kenyataan. Fisikawan bisa memprediksi keberadaan partikel itu lewat perhitungan, tapi belum ada eksperimen yang berhasil menangkapnya secara langsung.

Ia tidak membawa muatan listrik sehingga tidak mudah dipengaruhi gaya elektromagnetik. Ia memang bisa berinteraksi dengan materi, tetapi peluang terjadinya interaksi itu sangat kecil.

Pada awal 1950-an, dua fisikawan Amerika Serikat, Clyde Cowan dan Frederick Reines, coba mengakali persoalan itu. Alih-alih membuat setiap neutrino berhenti, mereka menyediakan neutrino dalam jumlah besar sehingga sebagian kecil di antaranya, “semoga” bisa berinteraksi dengan detektor.

Sumber neutrino yang dipakai adalah reaktor nuklir Savannah River di South Carolina, Amerika Serikat. Di dekat reaktor itu, Cowan dan Reines memasang detektor untuk mencari jejak interaksi neutrino.

Sesuatu yang keduanya semogakan ternyata membuahkan hasil.

Pada 14 Juni 1956, keduanya mengirim telegram kepada Pauli bahwa neutrino sudah terdeteksi, hasilnya terbit di jurnal Sciencebulan berikutnya. Temuan itu mengubah status neutrino. Partikel yang puluhan tahun hanya hidup dalam persamaan ternyata benar-benar ada. Pada 1995, Frederick Reines menerima Hadiah Nobel Fisika untuk "deteksi neutrino." Cowan, yang meninggal pada 1974, tidak sempat menerima penghargaan tersebut.

Namun, satu pertanyaan segera muncul sesudah keberadaan neutrino terbukti: apakah semua neutrino sama?

Nobel Fisika 1988: Neutrino Ternyata Punya "Rasa"

Pada 1962, Leon Lederman, Melvin Schwartz, dan Jack Steinberger, mencoba mencari jawabannya di Brookhaven National Laboratory. Mereka menghasilkan berkas neutrino dari peluruhan pion dan kaon, lalu mengamati partikel yang muncul ketika neutrino berinteraksi dengan materi.

Hasilnya menampilkan sesuatu yang kompleks, bahwa neutrino yang berkaitan dengan muon memiliki perilaku berbeda dari neutrino yang terkait dengan elektron.

Neutrino ternyata tidak hanya satu jenis. Dalam fisika partikel, perbedaan jenis tersebut disebut rasa. Ada neutrino elektron, neutrino muon, dan neutrino tau. Masing-masing berkaitan dengan salah satu dari tiga jenis lepton bermuatan yang dikenal dalam Model Standar.

Eksperimen di Brookhaven itu menunjukkan keberadaan neutrino muon sebagai jenis tersendiri. Temuan tersebut memperluas pemahaman fisikawan tentang susunan partikel elementer.

Pada 1988, Lederman, Schwartz, dan Steinberger, menerima Hadiah Nobel Fisika untuk "metode berkas neutrino dan demonstrasi struktur doublet lepton melalui penemuan neutrino muon." Manusia, sejak itu, tahu bahwa neutrino ada dan memiliki beberapa "rasa".

Namun, keberadaan berbagai jenis neutrino belum menjawab secara gamblang pertanyaan, "Dari mana partikel-partikel itu datang?"

Jawabannya, selain dari reaktor nuklir, ternyata bisa dicari dengan menengadah ke langit.

Nobel Fisika 2002: Pesan dari Matahari dan Ledakan Bintang

Salah satu sumber neutrino terbesar yang paling dekat dengan Bumi adalah Matahari. Di inti Matahari, reaksi fusi nuklir menghasilkan energi sekaligus neutrino. Karena neutrino sangat jarang berinteraksi dengan materi, partikel tersebut bisa meninggalkan bagian dalam Matahari lalu melaju menuju Bumi tanpa banyak mengalami gangguan.

Raymond Davis Jr. mencoba menangkap neutrino tersebut dengan tangki raksasa berisi sekitar 380 ribu liter senyawa tetracloroetileno di tambang Homestake, South Dakota, Amerika Serikat.

Hasil pengukurannya sejak akhir 1960-an justru memunculkan teka-teki baru. Jumlah neutrino yang bisa dideteksi hanya sekitar sepertiga dari jumlah yang diprediksi teori. Dua kemungkinan muncul: perhitungan tentang Matahari keliru, atau ada sesuatu yang terjadi pada neutrino selama perjalanan menuju Bumi.

Sementara Davis mencari neutrino Matahari, Masatoshi Koshiba membangun detektor air Kamiokande di Jepang. Pada Februari 1987, detektor tersebut merekam lonjakan neutrino yang berasal dari supernova SN 1987A di Awan Magellan Besar. Untuk pertama kalinya, neutrino memberi informasi langsung tentang ledakan sebuah bintang yang terjadi di luar galaksi Bima Sakti. Kamiokande juga menguatkan temuan Davis tentang berkurangnya jumlah neutrino Matahari.

Pada 2002, Raymond Davis Jr. dan Masatoshi Koshiba berbagi Hadiah Nobel Fisika untuk "kontribusi perintis dalam astrofisika, khususnya deteksi neutrino kosmik." Namun, Nobel tahun tersebut sekaligus menyisakan teka-teki lain: jika Matahari menghasilkan neutrino sesuai prediksi, mengapa yang sampai ke Bumi hanya sekitar sepertiganya?

Nobel Fisika 2015: Neutrino Bisa Berubah

Jawabannya datang pada pergantian abad, ketika Takaaki Kajita dan kolaborasi Super-Kamiokande di Jepang mengamati neutrino yang dihasilkan oleh interaksi sinar kosmik di atmosfer. Mereka menemukan bahwa jumlah neutrino muon yang tiba di detektor berbeda, tergantung jarak yang ditempuhnya. Neutrino yang bergerak melalui jarak lebih jauh berpeluang lebih besar untuk berubah.

Di Kanada, Arthur B. McDonald memimpin Sudbury Neutrino Observatory (SNO), yang menggunakan air berat untuk mengukur neutrino Matahari. Detektor SNO bisa mengukur neutrino elektron secara terpisah, sekaligus total seluruh rasa neutrino dari Matahari. Hasilnya memberi jawaban atas teka-teki yang sudah bertahan selama puluhan tahun.

Jumlah total neutrino yang datang dari Matahari ternyata sesuai prediksi. Yang berkurang hanya jumlah neutrino elektron. Sebagian berubah menjadi neutrino muon atau neutrino tau dalam perjalanan menuju Bumi. Fenomena perubahan jenis itu disebut osilasi neutrino.

Penemuan tersebut membawa konsekuensi lebih besar. Agar bisa berubah dari satu rasa ke rasa lain, neutrino harus memiliki massa. Artinya, neutrino yang dahulu diperkirakan tidak bermassa ternyata memiliki massa, meski sangat kecil.

Pada 2015, Takaaki Kajita dan Arthur B. McDonald menerima Hadiah Nobel Fisika "untuk penemuan osilasi neutrino, yang menunjukkan bahwa neutrino memiliki massa."

Sesudah empat Nobel, gambaran tentang neutrino kian lengkap. Fisikawan sudah tahu keberadaannya, mengenali beberapa jenisnya, menemukan sumber-sumbernya, dan mengetahui bahwa neutrino memiliki massa serta bisa berubah rasa ketika bergerak.

Akan tetapi, sifat yang sejak awal membuat neutrino sulit ditangkap ternyata menyimpan kegunaan lain. Karena bisa menempuh perjalanan sangat jauh tanpa banyak terganggu, neutrino juga bisa membawa kabar dari wilayah alam semesta yang sulit dijangkau cahaya. Di titik itulah riset Francis Halzen bermula.

Nobel Fisika 2026: Menangkap Pesan dari Alam Semesta

Neutrino dari Matahari dan supernova membuka jendela baru bagi astronomi. Namun, fisikawan masih ingin menemukan neutrino dengan energi jauh lebih tinggi, yang diperkirakan lahir dari peristiwa kosmik ekstrem.

Pada akhir 1980-an, Francis Halzen melihat peluang pada sesuatu yang tampak tidak biasa, yaitu es di Kutub Selatan. Gagasannya berangkat dari interaksi yang sangat jarang itu sendiri. Ketika neutrino berenergi tinggi berinteraksi dengan inti atom di dalam es, interaksi tersebut bisa menghasilkan partikel bermuatan. Partikel itu kemudian memancarkan cahaya Cherenkov yang bisa ditangkap oleh modul optik.

Jika cukup banyak modul ditempatkan di dalam volume es yang sangat besar, jejak cahaya tersebut bisa dipakai untuk menelusuri interaksi neutrino.

Gagasan itu berkembang jadi IceCube Neutrino Observatory, detektor raksasa berupa teleskop yang tertanam di dalam es Antartika dengan volume sekira 1 kilometer kubik. Konstruksinya selesai pada Desember 2010.

Tiga tahun kemudian, kolaborasi IceCube mengumumkan deteksi pertama fluks neutrino berenergi tinggi yang berasal dari luar tata surya. Sejak itu, IceCube membantu mengidentifikasi sumber-sumber individual, termasuk blazar, serta menggunakan neutrino untuk memetakan bagian Bima Sakti.

Pada 6 Oktober 2026, Royal Swedish Academy of Sciences menganugerahkan Hadiah Nobel Fisika kepada Francis Halzen "untuk kontribusi menentukan bagi IceCube Neutrino Observatory dan penemuan neutrino berenergi tinggi asal astrofisika."

Dengan penghargaan tersebut, riset neutrino kini mengantongi lima Nobel Fisika sepanjang sejarah: 1988, 1995, 2002, 2015, dan 2026. “Partikel hantu”, yang dulu dicari agar hukum kekekalan energi itu tetap masuk akal, akhirnya jadi cara baru bagi manusia untuk melihat alam semesta.

Konsep neutrino memang abstrak dan membingungkan, apalagi di zaman itu (bahkan sampai sekarang). Pada 1960, John Updike membuat puisi tentang neutrino berjudul "Cosmic Gall" atau "Keangkuhan Kosmis", untuk mendefinisikan partikel yang bisa menembus apa pun dan sulit ditangkap oleh detektor itu. Begini penggalannya saat dia menggambarkan sifat neutrino: