Proton (inti atom) yang merupakan salah satu penyusun materi dan semesta memiliki satu properti dimana orang Fisika menyebutnya sebagai spin. Spin proton memiliki dua orientasi arah. Analoginya adalah bumi atau gasing yang berputar (spinning). Jika gasing berputar berlawanan arah jarum jam, maka orientasi spin nya adalah “Up” dan jika gasing berputar searah jarum jam maka orientasi spin adalah “down”.
Pada suhu ruangan, orientasi spin proton adalah acak. Jika ada 100 proton, maka kira2 skitar 50 proton berorientasi “up” dan 50 sisanya berorientasi “down”. Dengan kata lain tingkat polarisasi kumpulan proton ini adalah nol. Eksperimen dimana saya terlibat memerlukan tingkat polarisasi setinggi mungkin. Ketika tingkat polarisasi sekumpulan proton 100%, maka semua orientasi spin proton seragam (100% up atau 100% down). Bagaimana mencapai tingkat polarisasi setinggi mungkin?
Ada dua resep utama untuk mencapai tingkat polarisasi yang tinggi. Pertama adalah medan magnet yang kuat. Kedua adalah suhu yang sangat rendah. Medan magnet yang kuat akan memaksa sekumpulan proton untuk menyearahkan orientasi spinnya. Kami menggunakan Medan magnet berkekuatan 5 Tesla, yakni 5ribu kali lebih kuat dibanding medan magnet dari kulkas. Untuk menghasilkan medan magnet sebesar ini diperlukan arus yang besar. Problemnya adalah arus besar pada konduktor menghasilkan panas yang juga besar dan mampu melelehkan tembaga. Solusinya adalah arus ini dialirkan pada superkonduktor. Superkonduktor tidak menghasilkan panas. Bahkan arus bisa terus mengalir meski tidak lagi terhubung dengan sumber tegangan.
Superkonduktor memerlukan temperatur yang sangat rendah. Magnet superkonduktor berbahan NbTi (Niobium Titanium) kami rendam dalam Helium cair bersuhu ~ 4 Kelvin atau sekitar – 269 C (minus 269 derajat celcius).
Resep kedua untuk mengasilkan tingkat polarisasi proton yang tinggi adalah suhu yang sangat rendah. Suhu yang ingin kita capai adalah 1 Kelvin atau – 272 C (minus 272 derajat celcius). Untuk itu kita perlu “super kulkas”. Jika kulkas biasa menggunakan freon, kami menggunakan helium cair. Jika kulkas biasa menggunakan pompa kompresor, super kulkas di Fermilab menggunakan 5 roots blower dengan kapasitas pompa hingga 17ribu meter kubik per jam.
Foto adalah superconducting magnet, evaporation fridge dan roots pump di lab kami di UVA.