Selasa, 31 Disember 2013

Penemuan Fizik Unggul 2013

Tahun 2013 merupakan hari gembira Peter Higgs dan Francois Englert kerana dianugerahkan Hadiah Nobel (Fizik) dengan penemuan secara teoritika bagi mekanisma yang menyumbang kepada kefahaman tentang asalan sesuatu jisim zarah subatomik dan telah disahkan melalui secara ujikaji oleh kumpulan penyelidik ATLAS dan CMS di Pelanggar Hadron Gergasi CERN. Penemuan tersebut menjawab persoalan asas fizik, iaitu Apa itu Jisim dan merupakan antara penemuan terunggul didalam fizik . Oleh itu makalah ini akan membincangkan penemuan unggul dalam fundamental fizik dan disahkan secara eksperimen. Dengan kata lain, bukan sahaja usaha LHC untuk menjawab beberapa persoalan fizik tentang tabii alam. Makalah ini bermula dengan perbincangan keluarga kuark (4 kuark), jirim gelap, zarah Majorana dan perbincangan kewujudan zarah neutrino kosmik.

Keluarga Baru Kuark

Kumpulan fizik tenaga tinggi antarabangsa terdiri daripada pakatan Beijing Spectrometer (BESIII) telah zarah subatomik yang dikenali sebagai Zc(4020) adalah merupakan isyarat kepada kewujudan keluarga baru kuark selepas penemuan zarah Zc(3900). Seperti yang kita sedia maklum, zarah kuark tidak boleh beraksi secara bebas, tetapi terikat bersama dalam kumpulan berdua (meson) atau bertiga (hadron).




                                                        Rajah 1: Pengesan BESIII

Pakatan BESIII menggunakan kaedah yang dipakai oleh Pelanggar Positron Elektron Beijing (BEPCII) di China, mereka telah melaraskan tenaga di mana elektron dan positron termusnah pada 4260MeV iaitu sepadan dengan zarah Y(4260), begitu juga dalam hal ini untuk menghasil secara langsung dan mengumpul sampel yang banyak bagi zarah yang terhasil atau mereput itu.


Rajah 2: Dari kiri: Zarah Pion terdiri daripada dua kuark (meson), zarah proton terdiri daripada tiga kuark (baryon) dan zarah Zc(3900) terdiri daripada empar kuark.

Rujukan: Guo et al 2013. Production of charged heavy quarkonium-like states at the LHC and the Tevatron http://arxiv.org/pdf/1308.0193.pdf


Jirim Gelap
Jirim gelap ialah sejenis jirim yang diramalkan dalam kosmologi bagi memerihalkan tentang sebahagian jisim yang hilang dalam alam semesta ini. Jirim gelap tidak boleh dikesan secara langsung, ia tidak memancarkan cahaya malahan ia sejenis jisim lemah berinteraksi (Weakly Interacting Massive Particle - WIMP). Tetapi kewujudannya dikesan melalui kesan pembelokan cahaya oleh graviti jirim gelap itu.
 Oleh kerana jirim gelap sukar dikesan maka Large Underground Xenon (LUX) beroperasi dengan mengandungi 370kg cecair xenon di mana zarah berinteraksi yang akan menjana 175nm foton UV dan elektron, di mana foton tersebut dikesan langsung oleh 61 pengganda foto (photomultiplier)  yang diletakkan pada atas dan bawah pengesan.

Rajah 3: Ujikaji LUX

Teori dan keputusan eksperimen mencadangkan zarah tersebut mestilah sama ada dalam bentuk jisim tinggi atau jisim rendah. Oleh itu pencarian zarah yang jisim tinggi  yang beratnya 40kali ganda daripada proton, LUX perlulah mempunyai dua kali sensitiviti. Meskipun demikian, LUX juga menaik tarafkan sensitivitinya untuk pencarian zarah yang rendah.  Keputusan pada April 2013 menunjukkan jirim gelap mempunyai hayat 85.3 hari dengan membenarkan kebolehpercayaan mencapai 90% pada jisim zarah 33 GeV/c2.

Rajah 4: Gambar keseluruhan pengesan LUX dipasang dalam Davis Cavern.

Pakatan saintifik LUX terdiri daripada 17 penyelidik universiti dan makmal kebangsaan dari Amerika Syarikat, UK, Portugis dan Rusia. Ujikaji ini bertempat di bawah tanah di South Dakota. Ini kerana ujikaji perlu beroperasi di bawah tanah bagi mengurangkan hingar daripada sinaran kosmik bertenaga ting pada permukaan bumi.

Rujukan: LUX Colloboration. 2013. First results from the LUX dark matter experiment at the Sanford Underground Research Facility.  http://arxiv.org/abs/1310.8214


Zarah Majorana

Rajah 5: Ujikaji GERDA diusulkan pada 2004 menggunakan pengesan Germanium-76.

Ahli fizik daripada Pakatan GERDA (Germanium Detector Array) di Makmal Kebangsaan Gran Sasso INFN Itali mengatakan bahawa mereka telah menemui bukti akan kewujudan "Zarah fermion Majorana"  iaitu zarah yang anti zarah-zarah mereka sendiri. Seperti yang kita sedia maklum, tiada zarah fermion yang diketahui mempunyai antizarahnya sendiri, meskipun secara semulajadi neutrino tidak diselesaikan dan berkemungkina ia adalah fermion Majorana.

Isyarat yang dicari oleh Pakatan GERDA iaitu pereputan dalam 0vββ dalam pengesan Germanium-76 (pengesan HPGe). Di dalam menggunakan tetingkap 4eV sekitar 0vββ  dengan nilai Q sekitar 2039keV. Pencarian 0vββ  akan menstabilkan kefahama tentang neutrino zarah Majorana yang mana ia menunjukkan pencabulan keabadian nombor lepton disamping itu juga memberikan penjelasan mengenai kenapa zarah neutrino tersangat kecil.




Rajah 6: (a) Rajah Feynman, menunjukkan pereputan zarah elektron (beta) daripada jisim neutrino Majorana berkesan (mv)ee.
(b) Mekanisme operasi dalam pengesan Germanium
(c) Isyaraat ββ0v yang dicari dalam pengesanan Gerda.

Penemuan itu juga bersetuju dengan lebih banyak kerja baru-baru ini teori bahawa zarah itu boleh berada dalam peranti keadaan pepejal . Kelak ia boleh menjadi perkara penting bagi pembangunan komputer kuantum kerana Majorana fermions - tidak seperti zarah fermion " Dirac " yang biasa, seperti elektron - mematuhi statistik yang tidak Abelian dan sewajarnya harus rintang hingar persekitaran.   

Rujukan: Pakatan GERDA. Results on neutrinoless double beta decay of 76Ge from GERDA Phase I http://arxiv.org/abs/1307.4720


Kehadiran Neutrino Kosmik

Pada November 2013 Pakatan IceCube mengumumkan bahawa Balai Cerap Neutrino IceCube telah mengesan 28 neutrino yang merupakan asalan daripada luar Sistem Suria. Pakatan tersebut yang merupakan sebahagian daripada projek Universiti Wisconsin-Madison dengan beberapa pakatan membina balai cerap tersebut pada Disember 2010, terletak di Pusat Penyelidikan Amundsen-Scott di Kutub Selatan, terdiri daripada 86 kabel, setiap satu daripadanya mempunyai 2.5km panjang. Setiap kabel tersebut diletakkan bersama berdozen-dozen tiub foto pengganda (photomultiplier tube) untuk mengesan kehadiran sinaran Cherenkov terhasil daripada kesan tidak langsung apabila neutrion berlanggar dengan hidrogen dan oksigen dalam ais.


Rajah 7: Pengesan IceCube setiap satu daripada kabel tersebut mempunyai hampir 2.5km panjang

Neutrino merupakan lepton yang bercas neutral dan agak sukar berinteraksi dengan jirim. Apabila neutrino berinteraksi dengan molekul dalam air ia akan menghasilkan lepton bercas yang terdiri daripada elektron, muon dan tau. Zarah-zarah tersebut (elektron, muon dan tau) sangat tinggi tenaganya akan memancarkan sinaran Cherenkov (fenomen ini berlaku jika zarah tersebut lebih laju daripada cahaya dalam medium tersebut).  Sinaran tersebut akan dikesan oleh tiub pengganda foto tersebut. IceCube sangat sensitif terhadap neutrino bertenaga tinggi dalam julat 1011 sehingga 1021eV.

Dianggarkan bahawa neutrino berlaku setiap 20minit dalam pengesan IceCube. Teteapi pakatan tersebut mengira 26 peristiwa (events) dengan tenaga sekurang-kurangnya 3x1013 eV. Tambahan lagi, mereka mengira terdapat 11 daripada 28 peristiwa yang serupa adalah disebabkan oleh neutrino atau muon dari atmosfera. Keputusan ini memberikan kebolehpercayaan 4-sigma  (4σ) untuk pengesanan neutrino kosmik, ini bermaksud bahawa hanya satu daripada 15000 peluang peristiwa itu boleh dijelaskan melalui fenomena atmosfera tulen. Ini merupakan bukti yang pertama bahawa bukan daripada atmosfera tapi daripada kosmik.


Rajah 8: Proses pembinaan pengesan IceCube

Rujukan: Pakatan IceCube. Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector. http://arxiv.org/pdf/1311.5238v2.pdf

Kesimpulan

Beberapa penemuan fizik unggul telah dibincangkan dalam makalah ini. Bermula daripada perbincangan berskala mikroskopik  (famili kuark) sehinggalah kepada berskala kosmik (penemuan zarah neutrino luar angkasa). Inilah yang mampu penulis rungkai, memandangkan terdapat beberapa penemuan fizik yang penulis rasakan untuk ditatapi bersama seperti penemuan isyarat kuno daripada Teleskop Planck dan pewapcairan Bose-Einstein dengan menggunakan penyejukan laser. Apapun penulisan ini diharapkan dapat menimbulkan pembaca untuk terarah kepada usaha-usaha tersebut.

Wallahu a'lam

1 Januari 2014 (Rabu)
28 Safar 1435

1 ulasan: