Pekerjaan Chiba University di IceCube Turut Mengantarkan Francis Halzen Meraih Nobel Fisika 2026

Satu-satunya Tim IceCube Jepang Turut Berbagi Prestasi Global

Francis Halzen, 82 tahun, dari University of Wisconsin–Madison dianugerahi Nobel Fisika 2026 atas kontribusinya pada Observatorium Neutrino IceCube dan penemuan partikel berenergi tinggi yang datang dari sumber kosmik jauh. Pengumuman pada 6 Oktober itu juga mengakui upaya ilmiah yang telah melibatkan Chiba University, satu-satunya institusi Jepang dalam kolaborasi tersebut, sejak 2002.

Royal Swedish Academy of Sciences menyatakan dalam pengumuman Nobel bahwa Halzen mendapat penghargaan "atas kontribusi menentukan terhadap Observatorium Neutrino IceCube dan penemuan neutrino berenergi tinggi yang berasal dari astrofisika." Hadiah tersebut bernilai 12 juta kronor Swedia.

Kontribusi Chiba mencakup berbagai hal, mulai dari mengidentifikasi sinyal neutrino kosmik pertama hingga membuat instrumen yang kini terkubur di bawah Kutub Selatan. Para penelitinya membantu menghubungkan neutrino dengan galaksi jauh, ikut serta dalam deteksi pertama interaksi antineutrino langka, dan memproduksi sekitar 40 persen dari lebih dari 600 detektor optik yang dipasang dalam peningkatan terbaru IceCube.

Profesor Chiba University Shigeru Yoshida, 60 tahun, direktur International Center for Hadron Astrophysics, dan Aya Ishihara, 52 tahun, menyambut penghargaan tersebut dalam konferensi pers pada 6 Oktober di kampus Nishichiba, Kota Chiba. Ishihara bergabung secara daring dari Nagoya.

Penghargaan Nobel diberikan secara khusus kepada Halzen. Namun, pencapaian observatorium itu merupakan hasil upaya internasional yang melibatkan sekitar 450 ilmuwan di 58 institusi di 14 negara. Peran Chiba menunjukkan bagaimana kelompok riset kecil menjadi bagian penting dalam menafsirkan hasil pengamatan sekaligus merancang peralatan generasi berikutnya.

Dari Gagasan 1988 Menjadi Observatorium Seluas Satu Kilometer Kubik

Halzen pertama kali memaparkan visinya untuk menggunakan es Kutub Selatan guna mendeteksi neutrino pada 1988. Lahir di Tienen, Belgia, pada 1944, ia meraih gelar doktor di KU Leuven pada 1969 dan menjadi profesor di Wisconsin–Madison. Usulannya mengharuskan para peneliti mengubah volume es alami yang sangat besar menjadi detektor partikel, alih-alih membangun bejana laboratorium konvensional.

Observatorium yang telah rampung menggunakan satu kilometer kubik es di bawah Stasiun Kutub Selatan Amundsen–Scott. Susunan awalnya terdiri atas 5.160 modul optik yang tersebar di sepanjang 86 kabel, dengan 60 modul pada setiap kabel.

Pembangunan dimulai pada 2004. Berbagai sumber mencantumkan tanggal penyelesaian yang berbeda: riwayat proyek Chiba menyebut pembangunan berakhir pada Desember 2010, sedangkan pengumuman Nobel menyatakan IceCube selesai pada 2011. Seluruh 86 rangkaian mulai beroperasi pada 2011. Dengan demikian, berakhirnya pemasangan berbeda dari dimulainya pengamatan menggunakan susunan lengkap.

Biaya pembangunan awal dilaporkan mencapai US$271 juta, dengan sebagian besar pendanaan berasal dari U.S. National Science Foundation. Dalam pernyataan penghargaan, NSF mengatakan telah mendanai perancangan, pembangunan, dan pengoperasian IceCube selama lebih dari dua dekade. U.S. Antarctic Program mendukung pembangunan di stasiun terpencil tersebut.

Mark Pearce, ketua Komite Nobel Fisika, memuji kepemimpinan Halzen yang mewujudkan gagasan itu menjadi observatorium yang berfungsi.

Francis Halzen memimpin tim peneliti dan insinyur internasional yang telah menyediakan instrumen luar biasa bagi kita. Kegigihan dan visi ilmiahnya membuka jalan bagi jenis astronomi baru.

Bagaimana Es Mendeteksi Partikel yang Biasanya Menembus Bumi

Neutrino tidak memiliki muatan listrik dan sangat jarang berinteraksi dengan materi. Sebagian besar neutrino menembus Bumi tanpa meninggalkan jejak yang bisa dideteksi. Hal ini membuatnya sulit diamati, tetapi juga menjadikannya pembawa informasi yang berguna: medan magnet tidak membelokkan lintasannya seperti lintasan partikel kosmik bermuatan.

Detektor tidak memotret neutrino secara langsung. Ketika neutrino sesekali berinteraksi dengan inti atom atau elektron, interaksi itu menghasilkan partikel bermuatan. Partikel tersebut dapat memancarkan cahaya Cherenkov, yakni radiasi redup yang dihasilkan ketika partikel bermuatan bergerak melalui suatu bahan lebih cepat daripada cahaya merambat di dalam bahan tersebut.

Sensor optik IceCube mencatat waktu dan kecerahan cahaya ini. Para peneliti menggunakan hasil pengukuran itu untuk memperkirakan energi dan arah datang partikel. Volume yang sangat besar mengimbangi langkanya interaksi neutrino.

Deskripsi proyek IceCube Chiba menyebutkan bahwa modul awal ditempatkan pada kedalaman 1.450 hingga 2.450 meter. Sumber lain menggunakan rentang yang lebih luas, termasuk 1.400 hingga 2.600 meter. Dalam peningkatan terbaru, pengeboran dilakukan hingga kedalaman 2.600 meter. Kedalaman pembangunan ini tidak sama dengan kedalaman pemasangan sensor awal.

Modul-modul tersebut berisi tabung pengganda foton, perangkat yang mengubah kilatan cahaya kecil menjadi sinyal listrik terukur. Hamamatsu Photonics, yang berbasis di Hamamatsu, Jepang, mengembangkan tabung yang digunakan dalam detektor IceCube. Dengan demikian, industri Jepang turut berperan bersama para peneliti universitas.

Mendeteksi cahaya hanyalah langkah pertama. Juan Carlos Díaz Vélez, yang bekerja di Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center dan mengoordinasikan pemrosesan data serta simulasi, mengatakan IceCube mendeteksi lebih dari satu juta muon yang dihasilkan sinar kosmik untuk setiap neutrino yang terdeteksi. Muon adalah partikel bermuatan yang juga dapat meninggalkan jejak terang, sehingga menciptakan latar belakang besar yang harus dibedakan dari peristiwa neutrino.

Menurut Díaz Vélez, pemrosesan pengamatan dan pembuatan simulasi menggunakan sekitar 10.000 inti CPU dan 1.000 unit pemrosesan grafis di berbagai jaringan komputasi terdistribusi. NSF juga menyebut fasilitas komputasinya membantu para peneliti menafsirkan pengukuran IceCube.

Sinyal Pertama Chiba dan Perbedaan Tanggal Penemuan

Chiba University menyatakan kelompoknya bergabung ketika kolaborasi IceCube dibentuk pada 2002. Yoshida telah mengenal Halzen sejak 1990-an, tetapi bergabung dalam proyek tersebut tetap diwarnai ketidakpastian besar. Dalam tanggapan atas penghargaan, ia mengenang luasnya keraguan terhadap kemungkinan neutrino menjadi sarana praktis untuk mengamati alam semesta berenergi tinggi.

Ishihara bergabung dengan kelompok Wisconsin pada Januari 2005, setelah meraih gelar doktor pada 2004, lalu memindahkan basis penelitiannya ke Chiba pada 2006. Ia menggambarkan tim dengan staf dan pendanaan terbatas yang mengembangkan strategi analisis sendiri agar dapat memberikan kontribusi khas dalam kolaborasi yang jauh lebih besar.

Strategi tersebut membantu mengidentifikasi dua peristiwa dengan energi luar biasa tinggi. Riwayat proyek Chiba yang terperinci mencatat peristiwa itu terjadi pada Agustus 2011 dan Januari 2012, dengan energi terukur masing-masing 1,04 ± 0,16 dan 1,14 ± 0,17 petaelektronvolt. Satu petaelektronvolt, atau PeV, setara dengan satu kuadriliun elektronvolt, satuan untuk mengukur energi partikel.

Universitas tersebut memaparkan temuan awalnya dalam konferensi internasional pada Juni 2012. Makalahnya terbit di Physical Review Letters pada Juli 2013, disusul analisis yang lebih luas di Science pada Desember 2013. Urutan ini menjelaskan mengapa Chiba menyebut penemuan pada 2012, sedangkan NSF dan pengumuman Nobel IceCube merujuk pada temuan penting tersebut pada 2013.

Laporan berbeda mengenai waktu terjadinya dua peristiwa awal tersebut: satu laporan menyebut keduanya terdeteksi pada 2013 dan 2014, sedangkan uraian terperinci Chiba mencatat 2011 dan 2012. Riwayat universitas itu juga mencantumkan ringkasan energi yang berbeda-beda, tetapi data tiap peristiwa mencantumkan nilai dan ketidakpastian seperti di atas.

Analisis lanjutan menambahkan 26 peristiwa pada dua temuan awal. Menurut uraian Chiba, sekitar 11 peristiwa latar belakang diperkirakan terdapat di antara 28 peristiwa tersebut. Energi, bentuk, dan arah kedatangannya mendukung asal kosmik dengan tingkat keyakinan statistik di atas empat standar deviasi.

Chiba membandingkan rentang energi baru ini dengan neutrino yang diamati Kamiokande pada 1987, dan menyebut peningkatan sekitar 100 juta kali lipat. NSF menyampaikan perbandingan yang lebih umum, yakni neutrino yang terdeteksi membawa energi lebih dari sejuta kali energi neutrino yang pernah diamati sebelumnya. Kedua perbandingan itu menggunakan acuan berbeda dan tidak boleh dianggap sebagai pengukuran yang sama.

Menelusuri Neutrino hingga ke Galaksi Jauh

Penemuan neutrino kosmik membuktikan bahwa akselerator partikel alami menghasilkannya. Untuk mengidentifikasi sumbernya, diperlukan langkah berikutnya: menggabungkan perkiraan arah datang neutrino dengan pengamatan dari instrumen lain.

Pada 22 September 2017 waktu Jepang, IceCube mendeteksi peristiwa yang dikenal sebagai IC170922A. Satelit sinar gama dan teleskop optik menindaklanjuti sinyal tersebut, lalu menghubungkan peristiwa itu dengan TXS 0506+056, sebuah blazar yang terkait dengan lubang hitam supermasif. Temuan tersebut diumumkan dan diterbitkan di Science pada 2018.

Blazar adalah inti galaksi aktif dengan jet kuat yang mengarah ke Bumi. Laporan awal menyebut hasil 2018 sebagai bukti bahwa neutrino mungkin berasal dari blazar tersebut. Chiba menyebutnya sebagai identifikasi sumber neutrino pertama, sedangkan NSF menggambarkan hasil 2018 sebagai bukti definitif neutrino yang berasal dari lubang hitam supermasif di galaksi lain.

Hubungan ini ditemukan melalui apa yang disebut para peneliti sebagai astronomi multimessenger: mempelajari aktivitas kosmik yang sama melalui berbagai sinyal, dalam hal ini neutrino dan beberapa bentuk radiasi elektromagnetik. Neutrino memberikan informasi yang tidak dapat diperoleh dari cahaya saja, sementara pengamatan teleskop membantu mengidentifikasi objek di arah kedatangannya.

Yasushi Fukazawa, profesor Hiroshima University yang mengkhususkan diri pada pengamatan alam semesta berenergi tinggi, memuji Chiba atas pengembangan dan perakitan detektor, serta sistem yang dengan cepat mengirimkan informasi neutrino ke observatorium di seluruh dunia. Sistem peringatan itu memungkinkan pengamatan lanjutan yang terkoordinasi.

IceCube kemudian melaporkan bukti emisi neutrino dari galaksi lain, NGC 1068, yang juga disebut Messier 77. Pada 2023, IceCube mengumumkan pengamatan neutrino dari Bima Sakti yang menghasilkan citra pertama galaksi kita berdasarkan neutrino, menurut NSF. Perkembangan ini membawa eksperimen tersebut melampaui deteksi partikel satu per satu menuju pemetaan sumbernya.

Interaksi Antineutrino Langka Menguji Fisika Partikel

Chiba juga berkontribusi pada hasil yang diterbitkan di Nature pada 2021: deteksi pertama resonansi Glashow melalui antineutrino elektron. Antineutrino adalah pasangan antimateri neutrino.

Resonansi Glashow adalah interaksi yang diprediksi terjadi ketika antineutrino elektron bertabrakan dengan elektron dan menghasilkan boson W, partikel yang terlibat dalam gaya lemah. Pengamatan ini menguji prediksi Model Standar, teori yang menjelaskan partikel elementer yang diketahui dan interaksinya.

Pencapaian ini memberi IceCube dua tujuan yang saling terkait. IceCube dapat menyelidiki lingkungan kosmik yang menghasilkan partikel berenergi tinggi sekaligus menggunakan partikel tersebut untuk menguji fisika fundamental pada energi yang sulit diteliti menggunakan akselerator buatan manusia.

Takaaki Kajita, profesor University of Tokyo yang berbagi Nobel Fisika 2015 atas penemuan osilasi neutrino, menyambut penghargaan untuk Halzen. Kajita menyebut IceCube sebagai langkah yang telah lama dinantikan untuk memahami asal sinar kosmik dan bagaimana partikel tersebut dipercepat.

Lebih dari 600 Detektor Baru Dipasang pada Januari

Penghargaan ini diberikan setelah kontribusi rekayasa Chiba berkembang pesat. Pengumuman penyelesaian peningkatan yang diterbitkan universitas pada 13 Februari menyatakan pemasangan rampung pada 21 Januari 2026.

Tim khusus yang terdiri atas sekitar 40 peneliti dan insinyur bekerja selama kurang lebih dua setengah bulan, mulai akhir November 2025. Mereka mengebor enam lubang dalam dan memasang lebih dari 600 modul optik baru di bagian tengah detektor yang sudah ada.

Sekitar 40 persen modul baru tersebut merupakan detektor D-Egg yang dirancang dan diproduksi International Center for Hadron Astrophysics milik Chiba selama lebih dari satu dekade. Kelompok dari Jerman dan Amerika Serikat memasok desain detektor lainnya, yaitu mDOM.

Setiap D-Egg memiliki dua sensor cahaya sensitif yang menghadap ke arah berlawanan di dalam rumah kaca. Sensor yang menangkap cahaya dari atas dan bawah membantu mengukur arah serta intensitasnya. Rumah detektor ini juga dapat dipasang di lubang bor yang lebih sempit. Ishihara, yang memimpin proses produksi, bergabung dengan tim pemasangan di Antarktika.

Jadwal pembangunan sangat ketat. Pengeboran air panas memerlukan sekitar 60 jam untuk membuat dan membentuk lubang hingga kedalaman 2.600 meter. Tim pemasang kemudian harus menurunkan sekitar 110 detektor yang saling terhubung dalam waktu 30 jam, sebelum jalur akses tertutup kembali akibat pembekuan.

Universitas tersebut juga melaporkan bahwa lima detektor demonstrasi buatan Chiba dipasang untuk mendukung pengembangan IceCube-Gen2. Perusahaan dalam negeri, mahasiswa pascasarjana, dan peneliti muda turut serta dalam pengembangan serta produksi detektor, memperluas kontribusi Jepang melampaui analisis data.

Target Lebih Besar untuk Neutrino Berenergi Lebih Rendah

Peningkatan ini menempatkan sensor lebih rapat agar mampu mendeteksi cahaya yang lebih lemah dari neutrino berenergi lebih rendah. Rentang yang dituju adalah gigaelektronvolt, atau GeV, sekaligus meningkatkan pengukuran perambatan cahaya di dalam es sekitar. Pemahaman yang lebih baik tentang es diharapkan memperbaiki rekonstruksi arah kedatangan neutrino.

Chiba menyebut volume deteksi efektif fasilitas yang telah ditingkatkan itu setara dengan sekitar dua juta ton air, dibandingkan sekitar 50.000 ton untuk Super-Kamiokande. Angka tersebut menghasilkan perbandingan sekitar 40 banding satu. Volume saja tidak menentukan sensitivitas atau ketepatan, karena kedua instrumen memiliki susunan dan metode pengamatan yang berbeda.

Susunan yang lebih rapat memperluas kemampuan fasilitas yang dikenal dengan astronomi berenergi sangat tinggi ke rentang energi partikel lain. Chiba menyebut neutrino yang dilepaskan saat bintang masif runtuh akibat gravitasi dan lubang hitam terbentuk sebagai sasaran penelitian potensial, bukan hasil pengamatan yang sudah diperoleh.

Jadwal pengamatan kini dirumuskan dengan lebih spesifik. Dalam pengumumannya pada Februari, Chiba memperkirakan pengamatan dimulai sekitar musim panas 2026, setelah es kembali membeku dan pemeriksaan komunikasi, kalibrasi, serta penentuan posisi detektor secara presisi selesai.

Namun, pengumuman penghargaan Nobel IceCube pada Oktober menyebut data sains pertama dari peningkatan tersebut diperkirakan tersedia pada akhir 2026. Pengumuman itu tidak memastikan bahwa pengamatan ilmiah penuh telah dimulai pada musim panas.

IceCube-Gen2 yang diusulkan akan memiliki susunan optik dengan volume delapan kali lebih besar daripada observatorium saat ini dan menambahkan deteksi radio untuk neutrino dengan energi yang lebih tinggi lagi. Proyek itu masih berupa usulan; pengumuman yang ada belum menetapkan tanggal mulai maupun selesainya pembangunan.

Tahapan Penting di Balik Penghargaan

Riwayat IceCube mencakup sejumlah tahap yang terkadang diringkas menjadi satu tanggal penemuan: mengusulkan instrumen, membangunnya, merekam peristiwa, memaparkan analisis, dan menerbitkan hasil.

• 1988: Halzen pertama kali memaparkan visinya untuk mendeteksi neutrino di Kutub Selatan.
• 2002: Kolaborasi IceCube dibentuk, dengan Chiba bergabung sebagai satu-satunya institusi Jepang.
• 2004–2011: Pembangunan dimulai dan observatorium lengkap mulai beroperasi.
• 2011–2013: Peristiwa-peristiwa besar pertama direkam, dipaparkan pada Juni 2012, dan diuraikan dalam makalah jurnal pada 2013.
• 2017–2018: Peristiwa IC170922A mengarah pada keterkaitannya dengan blazar TXS 0506+056 dan penerbitan temuan tersebut.
• 2021: Deteksi resonansi Glashow pertama kali diterbitkan.
• 2023: IceCube mengumumkan pengamatan neutrino dari Bima Sakti.
• 21 Januari 2026: Pemasangan peningkatan IceCube selesai.
• 6 Oktober 2026: Halzen diumumkan sebagai penerima Nobel Fisika.

Menurut Yoshida, kolaborasi tersebut berkembang dari lima negara saat dibentuk menjadi 14 negara saat ini. Halaman proyek Chiba mencatat sekitar 300 peneliti di 53 institusi di 12 negara pada 2020, dibandingkan dengan sekitar 450 peneliti di 58 institusi saat ini.

Halzen, peneliti utama IceCube, menempatkan upaya kolektif itu sebagai inti tanggapannya atas penghargaan tersebut.

Saya merasa sangat lega akhirnya dapat memberikan pengakuan yang layak diterima kolaborasi hebat ini.

Bagi Chiba, pencapaian konkret berikutnya adalah rencana rilis data sains pertama dari peningkatan tersebut pada akhir 2026. Para penelitinya juga bersiap menghadapi pembangunan observatorium yang lebih besar, sembari terus mencari akselerator kosmik yang menghasilkan partikel yang dideteksi IceCube.

Poin-Poin Utama

• Francis Halzen menerima Nobel Fisika 2026 atas IceCube dan penemuan neutrino kosmik.
• Chiba University telah berpartisipasi sejak 2002 dan tetap menjadi satu-satunya institusi Jepang dalam kolaborasi tersebut.
• Chiba membantu mengidentifikasi sinyal kosmik awal, sumber blazar, dan peristiwa resonansi Glashow pertama.
• Observatorium awal menggunakan 5.160 modul optik di area seluas satu kilometer kubik es Antarktika.
• Sekitar 40 persen dari lebih dari 600 detektor baru yang dipasang untuk peningkatan dibuat oleh Chiba.
• Jadwal terbaru memperkirakan data sains pertama dari peningkatan tersebut tersedia pada akhir 2026; IceCube-Gen2 masih berupa usulan.