XENONnT Membuka Jendela Baru untuk Neutrino Matahari hingga 17 keV

Detektor materi gelap yang berubah menjadi teleskop Matahari

XENONnT awalnya dibangun untuk mencari WIMP (weakly interacting massive particles), salah satu kandidat partikel materi gelap. Namun, sensitivitas ekstrem yang dibutuhkan untuk menemukan interaksi langka itu juga membuatnya mampu menangkap jejak neutrino dari Matahari.

Dalam seminar yang digelar di Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italia, Kolaborasi XENON mengumumkan pengamatan pertama neutrino matahari berenergi rendah yang mengalami hamburan pada elektron di dalam detektor XENONnT. Pengukuran tersebut memperluas batas pengamatan langsung neutrino hingga sekitar 17 keV—ambang energi neutrino terendah yang pernah dilaporkan. Sinyalnya didominasi oleh neutrino pp. 22

Bagaimana tumbukan neutrino bisa terlihat?

Neutrino hampir tidak pernah berinteraksi dengan materi. Sesekali, neutrino matahari bertumbukan secara elastis dengan elektron di dalam xenon cair dan memberikan sedikit energi kepadanya.

Tumbukan kecil ini menghasilkan dua sinyal:

• kilatan cahaya langsung dari xenon cair;
• sinyal elektroluminesensi kedua ketika elektron yang terlepas ditarik menuju fase gas.

Dengan menggabungkan kedua sinyal tersebut, peneliti dapat memperkirakan energi dan posisi tiga dimensi dari setiap peristiwa. Mereka tidak perlu mengidentifikasi satu “pukulan” neutrino secara individual. Sebaliknya, mereka mencari pola statistik dari banyak tumbukan elektron, lalu membandingkannya dengan pola latar belakang radioaktif dan gangguan instrumen yang mungkin terjadi.

Penting untuk dicatat, angka sekitar 17 keV merujuk pada energi neutrino yang dapat dijangkau oleh pengukuran, bukan energi yang selalu ditransfer utuh kepada setiap elektron. Pengumuman yang tersedia menyebut hasil ini sebagai pengamatan pertama neutrino matahari berenergi rendah, dengan sinyal yang terutama berasal dari neutrino pp. 22

Neutrino pp: pesan langsung dari mesin fusi Matahari

Neutrino pp dihasilkan pada tahap pertama rantai fusi proton-proton di Matahari:

[
p+p\rightarrow d+e^++\nu_e
]

Dalam reaksi ini, dua proton bergabung membentuk deuterium, positron, dan neutrino elektron. Reaksi tersebut memulai rangkaian proses yang secara bertahap mengubah hidrogen menjadi helium.

Karena rantai proton-proton merupakan sumber utama energi Matahari, neutrino pp menjadi pembawa pesan langsung dari reaksi fusi di inti Matahari. Cahaya membutuhkan waktu yang sangat lama untuk bergerak dari inti menuju permukaan Matahari, sedangkan neutrino dapat meloloskan diri hampir seketika dari wilayah tempat ia diproduksi.

Itulah sebabnya pengukuran neutrino pp dapat memberikan pemeriksaan yang lebih langsung terhadap proses fusi yang menyalakan Matahari—seolah-olah ilmuwan memperoleh laporan langsung dari inti bintang, bukan hanya mengamati cahaya yang akhirnya sampai ke Bumi.

Mengapa XENONnT mampu menangkap sinyal yang amat lemah?

Di pusat XENONnT terdapat time projection chamber (TPC) dua fase dengan target aktif berupa 5,9 ton xenon cair. Massa yang besar meningkatkan peluang terjadinya interaksi langka, sementara pengukuran cahaya dan ionisasi membantu menentukan energi serta lokasi setiap peristiwa. 5

Tantangan terbesarnya bukan hanya jumlah neutrino yang sangat sedikit, tetapi juga latar belakang. Peluruhan radon dan produk peluruhannya dapat menghasilkan tumbukan elektron yang menyerupai sinyal neutrino.

Untuk mengatasinya, kolaborasi XENON mengembangkan sistem distilasi kriogenik daring (online). Sistem ini terus-menerus mengeluarkan radon dari xenon. Aktivitas (^{222}\mathrm{Rn}) di dalam target aktif berhasil ditekan hingga sekitar (0,90\ \mu\mathrm{Bq/kg}), tingkat yang membuat latar belakang radon sebanding dengan latar belakang yang tidak terhindarkan dari neutrino matahari. 1819

Lokasi XENONnT jauh di bawah tanah, di bawah kawasan Gran Sasso, juga mengurangi peristiwa yang dipicu sinar kosmis. Dengan latar yang jauh lebih tenang, peneliti dapat menggunakan pencocokan spektrum untuk mencari bentuk sinyal neutrino, alih-alih mencoba menemukan peristiwa tunggal di tengah banjir sinyal palsu. 22

Melanjutkan hasil neutrino boron-8 pada 2024

Pengukuran terbaru menggunakan jalur interaksi yang berbeda dari hasil XENONnT yang diumumkan pada 2024. Saat itu, XENONnT mencari neutrino (^{8}\mathrm{B}) melalui coherent elastic neutrino–nucleus scattering (CEνNS), atau hamburan elastis koheren neutrino–inti.

Dalam CEνNS, neutrino menumbukkan inti atom xenon dan menghasilkan tumbukan balik pada inti tersebut. Analisis itu menghasilkan indikasi dengan signifikansi 2,73σ—bukan penemuan dengan standar 5σ. 23

Sebaliknya, hasil terbaru memanfaatkan hamburan neutrino–elektron. Kedua analisis tersebut menunjukkan bahwa satu detektor yang sama dapat mengamati dua tanda berbeda dari neutrino matahari:

• tumbukan elektron, yang terutama membuka akses ke neutrino pp berenergi rendah;
• tumbukan inti, melalui CEνNS, seperti pada indikasi neutrino boron-8.

Perbedaan ini penting karena setiap jalur interaksi membuka jendela berbeda terhadap spektrum energi neutrino dan proses fisika yang berlangsung di dalam Matahari.

“Kabut neutrino” menjadi batas baru pencarian materi gelap

Bagi eksperimen materi gelap, neutrino matahari memiliki dua sisi. Di satu sisi, neutrino menyediakan fenomena fisika nyata yang dapat diukur. Di sisi lain, tumbukan yang ditimbulkannya bisa terlihat seperti peristiwa materi gelap, termasuk interaksi WIMP.

Sinyal neutrino tidak dapat dihilangkan hanya dengan menambah perisai, karena neutrino menembus materi hampir tanpa hambatan. Latar belakang yang tidak terhindarkan ini kerap disebut “kabut neutrino”.

Istilah “kabut” lebih tepat daripada “lantai” yang benar-benar tidak dapat ditembus. Bentuk spektrum, perbandingan beberapa bahan target, informasi arah datangnya partikel, serta pemahaman yang lebih akurat tentang fluks neutrino Matahari masih dapat membantu membedakan sinyal WIMP secara statistik. Namun, ketika sensitivitas eksperimen meningkat, kemajuan menjadi semakin sulit dan ketidakpastian sistematis makin penting.

Indikasi CEνNS dari XENONnT sebelumnya menjadi salah satu contoh langsung pertama tentang bagaimana latar belakang nuklir dari neutrino mulai muncul di detektor materi gelap. 12

XLZD akan memperbesar jendela pengamatan

Generasi berikutnya, XLZD, dirancang sebagai observatorium xenon cair dengan target aktif sekitar 60 ton dan kemungkinan ditingkatkan hingga 80 ton. Jumlah ini kira-kira satu orde magnitudo lebih besar daripada target aktif XENONnT, sehingga akan meningkatkan paparan pengukuran untuk pencarian WIMP sekaligus studi neutrino. 3235

Massa yang lebih besar bukan sekadar berarti lebih banyak peristiwa. XLZD berpotensi mengukur fluks dan spektrum neutrino pp dengan lebih presisi, serta menguji peluang neutrino elektron tetap bertahan sebagai neutrino elektron saat bergerak dari Matahari ke Bumi.

Pada saat yang sama, XLZD dirancang untuk menjelajahi wilayah ketika interaksi WIMP mulai tumpang tindih dengan latar belakang “kabut neutrino”. 3239

Pelajaran utama dari XENONnT adalah bahwa pencarian materi gelap dan astronomi neutrino matahari tidak lagi sepenuhnya terpisah. Kemurnian xenon, tingkat kebisingan yang sangat rendah, dan teknologi deteksi yang dibutuhkan untuk menemukan peristiwa WIMP yang langka ternyata juga dapat mengungkap jejak nyaris tak terlihat dari fusi di inti Matahari.