Inti Matahari adalah tempat yang penuh kekerasan. Tekanan dan kepadatan yang sangat besar memaksa inti atom bersatu, mengatasi tolakan elektrostatis alami yang membuat proton terpisah. Ini adalah permainan fisika nuklir yang berisiko tinggi. Dalam lingkungan ini, energi dihasilkan melalui rangkaian peristiwa tertentu.
Tapi ada masalah. Teka-teki astrofisika selama puluhan tahun yang dikenal sebagai masalah neutrino matahari. Detektor di Bumi melihat jauh lebih sedikit neutrino yang berasal dari Matahari dibandingkan perkiraan teori. Partikel yang hilang bukan hanya kesalahan pengukuran. Mereka menunjuk pada misteri yang lebih dalam tentang cara kerja materi.
Proses Peluruhan Beta Terbalik
Untuk memahami defisitnya, Anda harus melihat sumbernya. Matahari berjalan dengan fusi. Secara khusus, ia bergantung pada rantai proton-proton. Seringkali, proton saling memantul. Kadang-kadang, satu proton berada cukup dekat dengan proton lainnya untuk berinteraksi. Hal ini tidak terjadi setiap detik. Ini adalah tabrakan yang jarang terjadi pada proton tunggal mana pun.
Ketika mereka terhubung, terjadi peluruhan beta terbalik. Satu proton berubah menjadi neutron. Ia bergabung dengan proton kedua untuk membentuk deuteron. Proses ini melepaskan energi. Ia juga melepaskan dua partikel lainnya.
- Sebuah elektron (e −).
- Sebuah neutrino (ν).
Neutrino adalah partikel subatom. Hampir tidak memiliki massa. Ia berinteraksi dengan materi dengan sangat lemah. Ia melewati planet seperti cahaya menembus kaca. Namun, miliaran di antaranya mengalir ke seluruh tubuh Anda setiap detik.
Jumlah yang Hilang
Teori menyatakan bahwa untuk setiap peristiwa fusi, neutrino dihasilkan. Jika inti Matahari memadukan hidrogen seperti yang disarankan oleh model, Bumi akan dibombardir dengan aliran partikel-partikel ini yang spesifik dan stabil. Fisikawan eksperimental membuat detektor untuk menangkapnya. Mereka menunggu. Mereka menghitung.
Jumlahnya tidak cocok.
Fluks yang diamati secara signifikan lebih rendah dari fluks yang diperkirakan. Kesenjangannya besar. Itu bukanlah margin kesalahan yang kecil. Ini adalah perbedaan yang mendasar. Untuk waktu yang lama, para ilmuwan bertanya-tanya apakah model surya itu salah. Apakah Matahari terbakar berbeda dari yang diperkirakan? Apakah intinya lebih dingin? Apakah tingkat fusinya tidak akurat?
Data menunjukkan sebaliknya. Matahari tampaknya bekerja persis seperti yang dikatakan teori. Keluaran energinya sesuai dengan prediksi. Suhu inti tetap stabil. Satu-satunya variabel yang tidak cocok adalah jumlah neutrino itu sendiri.
Matahari bersinar terang. Perhitungannya berhasil. Neutrino tidak mencapai jumlah yang diharapkan.
Ini bukan sekadar penyesuaian kecil. Untuk itu diperlukan pemikiran ulang tentang sifat neutrino. Jika partikelnya menghilang, apakah mereka juga menghilang? Atau apakah mereka mengubah identitas sebelum mencapai Bumi? Jawabannya memerlukan perubahan dalam Model Standar fisika partikel. Neutrino yang hilang tidak hilang. Mereka bersembunyi di depan mata, berubah menjadi tipe yang tidak dapat dilihat oleh detektor awal kita.
Mekanisme Penggabungan Stellar
Kebanyakan atom hidrogen tidak akan pernah melebur. Mereka melayang di angkasa, terlalu dingin, terlalu berjauhan. Tapi hidrogen begitu berlimpah sehingga kejadian langka pun terjadi. Kelangkaan inilah yang menyebabkan fusi mendominasi anggaran energi Matahari. Reaksi berantainya lambat pada awalnya. Deuteron bertemu proton untuk menghasilkan helium-3. Partikel-partikel itu bertabrakan lagi membentuk helium-4. Empat atom hidrogen lenyap. Satu atom helium tersisa. Kelebihan energi dilepaskan sebagai sinar gamma dan neutrino.
Suhu sangat penting di sini. Inti harus menembus penghalang elektrostatis jika disentuh. Jika mereka kekurangan panas, mereka akan terpental. Laju reaksi berskala dengan pangkat empat suhu. Peningkatan kecil dalam panas berarti lonjakan besar dalam keluaran energi.
Melacak Partikel Tak Terlihat
Persamaan (1) melacak konversi ini. Untuk setiap dua atom hidrogen yang diproses, satu neutrino muncul. Ia membawa energi rata-rata 0,26 MeV. Itu hanya 1,3 persen dari total pelepasan. Namun perubahannya sangat mengejutkan. Delapan kali sepuluh pangkat sepuluh neutrino menyerang setiap sentimeter persegi bumi setiap detik. Mereka melewati kita tanpa jejak.
Untuk mendeteksinya, diperlukan penggalian. Raymond Davis membangun eksperimennya jauh di dalam tambang emas Homestake di Lead, South Dakota. Dia pergi ke bawah tanah untuk melindungi detektornya dari kebisingan kosmik. Hadiah Nobel menyusul pada tahun 2002. Namun hasil awalnya salah. Atau begitulah tampaknya.
Neutrino dari langkah pertama rantai memiliki energi yang rendah. Di bawah 0,42 MeV. Peralatan Davis tidak dapat melihatnya. Dia mengandalkan neutrino berenergi lebih tinggi dari langkah selanjutnya. Jumlahnya jauh lebih rendah dari perkiraan teori. Matahari mulai gelap? Atau apakah fisikanya rusak?
Menyelesaikan Masalah Neutrino Surya
Dua penjelasan muncul. Pertama: laju subatom salah perhitungan. Matahari terbakar secara berbeda dari yang kita duga. Ini adalah kemungkinan yang biasa saja. Itu membuat model standar tetap utuh. Kemungkinan besar juga salah.
Pilihan lainnya lebih aneh. Bagaimana jika neutrino berubah? Saat mereka melakukan perjalanan melalui massa padat Matahari, apakah mereka berubah menjadi jenis yang tidak dapat ditangkap oleh detektor kita? Osilasi ini menyiratkan bahwa neutrino memiliki massa. Massa yang kecil, namun tetap merupakan massa. Hal ini bertentangan dengan anggapan umum bahwa mereka tidak bermassa.
Jawabannya datang dari kedalaman 2.100 meter di bawah tanah. Observatorium Neutrino Sudbury terletak di tambang nikel Creighton dekat Sudbury, Ontario. Datanya jelas. Neutrino yang hilang belum hilang. Mereka telah mengubah rasa. Masalah neutrino surya telah terpecahkan. Neutrino berosilasi. Mereka memiliki berat badan. Matahari lebih terang dari yang dapat dilihat oleh detektor awal, namun alam semesta lebih aneh dari yang kita perkirakan.
