Fisika astropartikel, juga disebut astrofisika partikel, adalah cabang fisika partikel yang mempelajari partikel dasar yang bermuasal astrofisika dan hubungannya dengan astrofisika dan kosmologi. Cabang fisika ini adalah bidang penelitian yang relatif baru yang muncul di persimpangan antara fisika partikel, astronomi, astrofisika, fisika detektor, relativitas, fisika zat padat, dan kosmologi. Sebagian dimotivasi oleh penemuan osilasi neutrino, bidang ini telah mengalami perkembangan pesat, baik secara teoritis maupun eksperimental, sejak awal tahun 2000-an. [1]
Sejarah
Bidang fisika astropartikel berkembang dari astronomi optik. Dengan pertumbuhan teknologi detektor, muncullah astrofisika yang lebih matang, yang melibatkan berbagai subtopik fisika, seperti mekanika, elektrodinamika, termodinamika, fisika plasma, fisika nuklir, relativitas, dan fisika partikel. Fisikawan partikel menganggap astrofisika diperlukan karena kesulitan dalam menghasilkan partikel dengan energi yang sebanding dengan yang ditemukan di ruang angkasa. Misalnya, spektrum sinar kosmik mengandung partikel dengan energi setinggi 1020eV, di mana tumbukan proton-proton di Large Hadron Collider terjadi pada energi sekitar ~ 1012eV.
Bidang ini dapat dikatakan dimulai pada tahun 1910, ketika seorang fisikawan Jerman bernama Theodor Wulf mengukur ionisasi di udara, sebuah indikator radiasi gamma, di bagian dasar dan puncak dari Menara Eiffel. Ia menemukan bahwa ionisasi di bagian puncak jauh lebih besar daripada yang diperkirakan jika hanya sumber terestrial yang dikaitkan dengan radiasi yang terukur ini. [2]
Fisikawan Austria Victor Francis Hess berhipotesis bahwa sebagian ionisasi disebabkan oleh radiasi dari langit. Untuk mempertahankan hipotesis ini, Hess merancang instrumen yang mampu beroperasi di ketinggian dan melakukan pengamatan ionisasi hingga ketinggian 5,3 km.Dari tahun 1911 hingga 1913, Hess melakukan sepuluh penerbangan untuk mengukur tingkat ionisasi secara teliti. Melalui perhitungan sebelumnya, ia tidak memperkirakan adanya ionisasi di atas ketinggian 500 km.m jika sumber terestrial adalah satu-satunya penyebab radiasi. Namun, pengukurannya mengungkapkan bahwa meskipun tingkat ionisasi awalnya menurun seiring ketinggian, tingkat ionisasi mulai meningkat tajam pada suatu titik. Pada puncak penerbangannya, ia menemukan bahwa tingkat ionisasi jauh lebih besar daripada di permukaan. Hess kemudian dapat menyimpulkan bahwa "radiasi dengan daya tembus yang sangat tinggi memasuki atmosfer kita dari atas". Lebih lanjut, salah satu penerbangan Hess terjadi selama gerhana matahari hampir total. Karena ia tidak mengamati penurunan tingkat ionisasi, Hess berpendapat bahwa sumbernya pasti berada lebih jauh di ruang angkasa. Atas penemuan ini, Hess adalah salah satu orang yang dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1936. Pada tahun 1925, Robert Millikan mengkonfirmasi temuan Hess dan kemudian menciptakan istilah 'sinar kosmik'. [3]
Banyak fisikawan yang mengetahui asal usul bidang fisika astropartikel lebih memilih untuk menganggap 'penemuan' sinar kosmik oleh Hess sebagai titik awal bidang ini. [4]
Topik penelitian
Meski mungkin sulit untuk menentukan deskripsi 'buku teks' standar dari bidang fisika astropartikel, bidang ini dapat dicirikan oleh topik penelitian yang sedang aktif dilakukan. Jurnal Astroparticle Physics menerima makalah yang berfokus pada perkembangan baru di bidang berikut ini: [5]
Fisika dan astrofisika sinar kosmik berenergi tinggi;
Astronomi sinar gamma berenergi tinggi (HE), VHE, dan UHE;
Astronomi neutrino berenergi tinggi dan rendah;
Pengembangan instrumentasi dan detektor yang terkait dengan bidang-bidang yang disebutkan di atas.
Pertanyaan terbuka
Salah satu tugas utama untuk masa depan bidang ini adalah mendefinisikan dirinya secara menyeluruh di luar definisi kerja dan membedakannya secara jelas dari astrofisika dan topik terkait lainnya. [4]
Masalah yang belum terpecahkan saat ini dalam bidang fisika astropartikel meliputi karakterisasi materi gelap dan energi gelap. Pengamatan kecepatan orbit bintang-bintang di Bima Sakti dan galaksi-galaksi lain yang dimulai oleh Walter Baade dan Fritz Zwicky pada tahun 1930-an, bersama dengan kecepatan galaksi yang diamati di gugusan galaksi, menemukan gerakan yang jauh melebihi kepadatan energi materi yang terlihat yang dibutuhkan untuk menjelaskan dinamika mereka. Sejak awal tahun sembilan puluhan, beberapa kandidat telah ditemukan untuk sebagian menjelaskan sebagian materi gelap yang hilang, tetapi mereka masih jauh dari cukup untuk menawarkan penjelasan lengkap. Penemuan alam semesta yang berakselerasi menunjukkan bahwa sebagian besar materi gelap yang hilang tersimpan sebagai energi gelap dalam vakum dinamis. [6]
Pertanyaan lain bagi fisikawan astropartikel adalah mengapa ada lebih banyak materi daripada antimateri di alam semesta saat ini. Baryogenesis adalah istilah untuk proses hipotetis yang menghasilkan jumlah baryon dan antibaryon yang tidak setara jumlahnya di alam semesta awal, yang merupakan alasan mengapa alam semesta saat ini terbuat dari materi, dan bukan antimateri. [6]
Fasilitas eksperimental
Perkembangan pesat di bidang ini telah mengarah pada perancangan jenis infrastruktur baru. Di laboratorium bawah tanah atau dengan teleskop, antena, dan eksperimen satelit yang dirancang khusus, fisikawan astropartikel menggunakan metode deteksi baru untuk mengamati berbagai partikel kosmik termasuk neutrino, sinar gamma, dan sinar kosmik pada energi tertinggi. Mereka juga mencari materi gelap dan gelombang gravitasi. Fisikawan partikel eksperimental dibatasi oleh teknologi akselerator terestrial mereka, yang hanya mampu menghasilkan sebagian kecil energi yang ditemukan di alam.
Berikut ini adalah daftar yang belum lengkap dari laboratorium dan eksperimen dalam fisika astropartikel.
Laboratorium bawah tanah
Fasilitas-fasilitas ini terletak jauh di bawah tanah, untuk melindungi eksperimen yang sangat sensitif dari sinar kosmik yang jika tidak dilindungi akan menghalangi pengamatan fenomena yang sangat langka.
Observatorium Kamioka adalah laboratorium neutrino dan gelombang gravitasi yang terletak di bawah tanah di Tambang Mozumi dekat bagian Kamioka di kota Hida, Prefektur Gifu, Jepang. Lab ini adalah lokasi eksperimen Super-Kamiokande.
Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) adalah laboratorium yang menyelenggarakan eksperimen yang membutuhkan lingkungan dengan latar belakang rendah. Aula eksperimennya terletak di dalam gunung Gran Sasso, dekat L'Aquila (Italia).
SNOLAB terletak di 2Terletak beberapa kilometer di bawah tanah di dalam tambang aktif, di Greater Sudbury (Kanada). Dikembangkan dari Observatorium Neutrino Sudbury yang asli, seluruh laboratorium bawah tanah ini dioperasikan sebagai ruang bersih, yang menjadi tempat eksperimen dalam fisika neutrino dan pencarian materi gelap.
Diperlukan ukuran detektor neutrino yang sangat besar untuk merekam interaksi neutrino dengan materi atom yang sangat jarang terjadi.
IceCube (Antartika). Detektor partikel terbesar di dunia, selesai dibangun pada Desember 2010. Tujuan detektor ini adalah untuk menyelidiki neutrino berenergi tinggi, mencari materi gelap, mengamati ledakan supernova, dan mencari partikel eksotis seperti monopoli magnetik. [7]
ANTARES (Toulon, Prancis). Detektor Neutrino yang terletak sekitar 2.5 km di bawah Laut Mediterania di lepas pantai Toulon, Prancis. Dirancang untuk menemukan dan mengamati fluks neutrino ke arah belahan Bumi selatan.
Proyek NESTOR (Pylos, Yunani). Tujuan kolaborasi internasional ini adalah penempatan teleskop neutrino di dasar laut di lepas pantai Pylos, Yunani.
BOREXINO, detektor waktu nyata, dipasang di LNGS, dirancang untuk mendeteksi neutrino dari Matahari dengan target scintillator cair organik. [8]
Detektor materi gelap
Eksperimen ini ditujukan untuk deteksi langsung interaksi materi gelap dengan material target detektor.
XENONnT, versi lanjut dari XENON1T, adalah eksperimen pencarian langsung materi gelap yang berlokasi di LNGS dan diharapkan sensitif terhadap WIMP dengan penampang lintang independen spin sebesar 10−48cm2.
Global Argon Dark Matter Collaboration mengoperasikan serangkaian eksperimen argon cair: DarkSide-50 di LNGS, DEAP-3600 di SNOLAB, dan detektor DarkSide-20k yang akan datang di LNGS. Eksperimen-eksperimen ini mencari WIMP dan kandidat partikel materi gelap yang lebih berat.
Observatorium yang tertarik dengan deteksi sinar kosmik berenergi tinggi diantaranya:
Observatorium Pierre Auger (Malargüe, Argentina) mendeteksi dan menyelidiki sinar kosmik berenergi tinggi menggunakan dua teknik. Salah satunya adalah mempelajari interaksi partikel dengan air yang ditempatkan di tangki detektor permukaan. Teknik lainnya adalah melacak perkembangan pancaran udara melalui pengamatan cahaya ultraviolet yang dipancarkan di atmosfer Bumi. [9]
Proyek Larik Telescope (Delta, Utah), sebuah eksperimen untuk mendeteksi sinar kosmik berenergi sangat tinggi (UHECR) menggunakan susunan teleskop di darat dan teknik fluoresensi di gurun Utah bagian barat.
↑De Angelis, Alessandro; Pimenta, Mario (2018). Introduction to particle and astroparticle physics (multimessenger astronomy and its particle physics foundations). Springer. doi:10.1007/978-3-319-78181-5. ISBN978-3-319-78181-5.
