Sekitar 2.400 meter di bawah Pegunungan Jinping di barat daya Tiongkok, laboratorium bawah tanah terdalam dan terbesar di dunia baru saja dibuka. Ruang angkasa yang sangat luas adalah rumah bagi para ilmuwan yang memburu materi gelap – zat hipotetis yang diperkirakan membentuk lebih dari 80% massa di alam semesta.
Laboratorium Bawah Tanah China Jinping (CJPL) dibuka pada tahun 2010 dan, setelah tiga tahun konstruksi, tahap kedua, CJPL-II, mulai beroperasi pada bulan Desember 2023. Dengan kapasitas luas sebesar 330.000 meter kubik, laboratorium ini kini melampaui Laboratorium Nasional Gran Sasso (LNGS) di L’aquila, Italia, pemegang rekor sebelumnya untuk kedalaman dan volume.
Ruang ekstra ini memungkinkan eksperimen seperti Eksperimen Partikel dan Astrofisika Xenon (PandaX) dan Eksperimen Materi Gelap China (CDEX) untuk ditingkatkan. “Sungguh menakjubkan apa yang mampu mereka lakukan dalam satu dekade,” kata Juan Collar, fisikawan di Universitas Chicago di Illinois.
Materi gelap masih menjadi misteri ilmiah. Fisikawan telah menghitung bahwa gravitasi yang dihasilkan oleh materi tampak terlalu lemah untuk mencegah galaksi-galaksi yang bergerak cepat saling menjauh. Jadi, mereka berteori bahwa materi gelap adalah perekat tak kasat mata yang menyatukan alam semesta. Meskipun materi gelap ada di mana-mana, namun terbukti sulit untuk diamati secara langsung karena dianggap hampir tidak berinteraksi dengan materi biasa dan tidak memancarkan, memantulkan, atau menyerap cahaya. Klaim mendeteksi materi gelap telah diganggu oleh anggapan bahwa eksperimen tersebut mungkin dikacaukan oleh sinyal lain.
Kejayaan ilmiah menanti mereka yang pertama kali mendeteksi materi gelap, dan pencarian berkelanjutan ini adalah salah satu upaya terbesar dalam fisika partikel, kata Henry Tsz-King Wong, fisikawan di Academia Sinica di Nangang, Taiwan, yang bekerja di CDEX.
Cahaya di bawah gunung
Tempat terbaik untuk mencari materi gelap adalah di bawah tanah, karena lapisan batuan melindungi detektor dari ‘kebisingan’ latar belakang, seperti sinar kosmik – partikel berenergi tinggi yang menghujani bumi dari luar angkasa – yang dapat meredam potensi sinyal materi gelap. , kata Marco Selvi, fisikawan di Institut Nasional Fisika Nuklir di Bologna, Italia. Upaya mendeteksi materi gelap di permukaan bumi “seperti mencoba mendengar suara kecil seorang anak di dalam stadion tempat semua orang berteriak”, katanya.
Di bawah tanah, CJPL-II terkena sinar kosmik sebesar 0,000001% dari permukaan bumi, menjadikannya salah satu laboratorium bawah tanah dengan perlindungan terbaik di dunia. Dindingnya juga dilapisi perisai pelindung setebal 10 sentimeter yang terbuat dari campuran karet, beton, dan bahan lain yang menghalangi air dan gas radon radioaktif, yang dapat merembes dari batuan di sekitarnya dan mengganggu eksperimen pendeteksian materi gelap.
Tim peneliti fasilitas tersebut sudah memanfaatkan ruang ekstra tersebut. Saat CJPL-II sedang dibangun, tim PandaX meningkatkan detektornya dari kapasitas 120 kilogram xenon cair menjadi 4 ton. Ketika partikel materi gelap potensial bertabrakan dengan atom xenon, energinya akan diubah menjadi kilatan cahaya yang dapat dideteksi oleh fotosensor.
Detektor ini mengejar eksperimen XENONnT LNGS (8,6 ton) dan Eksperimen LUX-ZEPLIN (7 ton), di Fasilitas Penelitian Bawah Tanah Sanford di Lead, South Dakota.
Detektor PandaX-4T ditempatkan di dalam tangki air berukuran 900 meter kubik untuk lebih melindunginya dari partikel-partikel liar, kata anggota tim Ning Zhou, fisikawan di Universitas Shanghai Jiao Tong di Tiongkok. “Dengan sensitivitas yang lebih baik, kita dapat bermain-main dengan detektor dan menguji berbagai jenis interaksi,” katanya. Tujuan utama tim ini adalah membangun detektor xenon dengan kapasitas 40–50 ton. Ini akan menyaingi Eksperimen DARWIN Eropa, yang menargetkan produksi 40 ton, kata Zhou.
Sementara itu, tim CDEX juga telah mengerahkan detektor germanium, yang menargetkan partikel materi gelap potensial dengan massa lebih rendah daripada yang dicari oleh eksperimen xenon, kata anggota tim CDEX Qian Yue, fisikawan di Universitas Tsinghua di Beijing. Detektor CDEX telah ditingkatkan dari kapasitas 1 kilogram menjadi 10 kilogram germanium, dengan rencana untuk membangun susunan detektor yang mampu menampung satu ton. Jika partikel materi gelap menabrak detektor ini, interaksi tersebut akan menghasilkan muatan, yang akan diubah menjadi sinyal listrik. Yue berharap dapat mengundang lebih banyak kolaborator internasional untuk bergabung dengan CDEX – yang sudah mencakup para peneliti dari India dan Turki.
Meskipun pencarian materi gelap bersifat kompetitif secara global, memiliki beberapa laboratorium bawah tanah di seluruh dunia yang menjalankan eksperimen serupa memungkinkan para peneliti untuk membandingkan hasilnya, kata Selvi. Pada tahun 2022, tim PandaX dapat mengonfirmasi hasil eksperimen XENON LNGS – yang menemukan bahwa sinyal mengejutkan yang terdeteksi oleh XENON pada tahun 2020 berasal dari kebisingan latar belakang, bukan materi gelap – dengan menggunakan pendekatan serupa.
Namun Collar berpendapat bahwa penelitian materi gelap akan mendapat manfaat dari pendekatan dan ide baru dibandingkan mengalahkan pesaing dengan versi detektor yang sama yang lebih besar dan lebih sensitif. “Sudah cukup banyak replikasi,” katanya.
Selama dekade berikutnya, tim CJPL-II akan terus meningkatkan sensitivitas detektor mereka, kata Zhou. Ia juga berharap komunitas peneliti materi gelap global akan berbagi dan menggabungkan kumpulan data CJPL-II dengan kumpulan data mereka sendiri. “Masih banyak hal yang harus kita lakukan,” katanya. []
