Dalam 'Dimensi Gelap', Fisikawan Mencari Materi yang Hilang | Majalah Kuanta

Ketika memahami struktur alam semesta, sebagian besar hal yang menurut para ilmuwan ada ternyata berada di wilayah yang gelap dan suram. Materi biasa, benda yang dapat kita lihat dan sentuh, hanya berjumlah 5% dari kosmos. Sisanya, kata para kosmolog, adalah energi gelap dan materi gelap, zat misterius yang diberi label “gelap” untuk mencerminkan ketidaktahuan kita tentang sifat aslinya.

Meskipun tidak ada satu gagasan pun yang dapat menjelaskan segala hal yang ingin kita ketahui tentang alam semesta, sebuah gagasan yang diperkenalkan dua tahun lalu dapat menjawab beberapa pertanyaan besar. Disebut skenario dimensi gelap, ia menawarkan resep khusus untuk materi gelap, dan ini menunjukkan hubungan erat antara materi gelap dan energi gelap. Skenario ini mungkin juga memberi tahu kita mengapa gravitasi – yang membentuk alam semesta dalam skala terbesar – sangat lemah dibandingkan gaya lainnya.

Skenario ini mengusulkan sebuah dimensi yang belum terlihat yang hidup dalam ranah teori string yang sudah kompleks, yang berupaya menyatukan mekanika kuantum dan teori gravitasi Einstein. Selain empat dimensi yang lazim – tiga dimensi spasial yang sangat besar ditambah satu dimensi waktu – teori string menyatakan bahwa ada enam dimensi spasial yang sangat kecil.

Di alam semesta dimensi gelap, salah satu dimensi ekstra tersebut jauh lebih besar dibandingkan dimensi lainnya. Alih-alih berukuran 100 juta triliun kali lebih kecil dari diameter proton, ia berukuran sekitar 1 mikron — satu menit menurut standar sehari-hari, namun sangat besar dibandingkan dengan yang lain. Partikel masif yang membawa gaya gravitasi dihasilkan dalam dimensi gelap ini, dan mereka membentuk materi gelap yang menurut para ilmuwan mencakup sekitar 25% alam semesta kita dan membentuk perekat yang menyatukan galaksi-galaksi. (Perkiraan saat ini menyatakan bahwa 70% sisanya terdiri dari energi gelap, yang mendorong perluasan alam semesta.)

Skenario ini “memungkinkan kita membuat hubungan antara teori string, gravitasi kuantum, fisika partikel, dan kosmologi, [sambil] mengatasi beberapa misteri yang terkait dengannya,” kata Ignatios Antoniadis, seorang fisikawan di Universitas Sorbonne yang aktif menyelidiki usulan dimensi gelap.

Meskipun belum ada bukti keberadaan dimensi gelap, skenario ini menghasilkan prediksi yang dapat diuji baik untuk observasi kosmologis maupun fisika meja. Artinya, kita tidak perlu menunggu lama untuk melihat apakah hipotesis tersebut akan berhasil jika diteliti secara empiris – atau dimasukkan ke dalam daftar ide-ide menggiurkan yang tidak pernah memenuhi janji aslinya.

“Dimensi gelap yang dibayangkan di sini,” kata fisikawan tersebut Rajesh Gopakumar, direktur Pusat Ilmu Pengetahuan Teoritis Internasional di Bengaluru, “memiliki “keuntungan karena berpotensi untuk dikesampingkan dengan mudah karena eksperimen yang akan datang semakin tajam.”

Meramalkan Dimensi Gelap

Dimensi gelap diilhami oleh misteri lama mengenai konstanta kosmologis — sebuah istilah, yang ditandai dengan huruf Yunani lambda, yang diperkenalkan Albert Einstein ke dalam persamaan gravitasinya pada tahun 1917. Percaya pada alam semesta statis, seperti yang dilakukan banyak rekannya , Einstein menambahkan istilah tersebut agar persamaan tersebut tidak menggambarkan alam semesta yang mengembang. Namun pada tahun 1920-an, para astronom menemukan bahwa alam semesta memang sedang mengembang, dan pada tahun 1998 mereka mengamati bahwa alam semesta berkembang dengan sangat cepat, didorong oleh apa yang sekarang sering disebut sebagai energi gelap — yang juga dapat dilambangkan dalam persamaan dengan lambda.

Sejak itu, para ilmuwan bergumul dengan satu karakteristik mencolok dari lambda: Nilainya diperkirakan 10^-122 dalam satuan Planck adalah “parameter terukur terkecil dalam fisika,” katanya Cumrun Vafa, seorang fisikawan di Universitas Harvard. Pada tahun 2022, sambil mempertimbangkan kecilnya hal yang hampir tak terduga dengan dua anggota tim penelitinya — Miguel Montero, sekarang di Institut Fisika Teoritis Madrid, dan Irene Valenzuela, saat ini di CERN — Vafa mempunyai wawasan: Lambda yang sangat kecil adalah parameter yang benar-benar ekstrem, artinya dapat dipertimbangkan dalam kerangka kerja Vafa sebelumnya dalam teori string.

Sebelumnya, dia dan yang lainnya telah merumuskan dugaan yang menjelaskan apa yang terjadi ketika parameter fisik penting mencapai nilai ekstrem. Disebut dugaan jarak, ini mengacu pada “jarak” dalam arti abstrak: Ketika suatu parameter bergerak menuju batas kemungkinan yang jauh, sehingga mengasumsikan nilai ekstrem, akan ada dampak terhadap parameter lainnya.

Jadi, dalam persamaan teori string, nilai-nilai kunci — seperti massa partikel, lambda, atau konstanta penggandengan yang menentukan kekuatan interaksi — tidaklah tetap. Mengubah satu hal pasti akan mempengaruhi yang lain.

Misalnya, lambda yang sangat kecil, seperti yang telah diamati, seharusnya disertai dengan partikel yang lebih ringan dan berinteraksi lemah dengan massa yang terkait langsung dengan nilai lambda. “Apa itu?” Vafa bertanya-tanya.

Saat dia dan rekan-rekannya merenungkan pertanyaan tersebut, mereka menyadari bahwa dugaan jarak dan teori string digabungkan untuk memberikan satu wawasan penting lagi: Agar partikel ringan ini muncul ketika lambda hampir nol, salah satu dimensi ekstra teori string harus jauh lebih besar daripada dimensi tambahan teori string. yang lain – mungkin cukup besar bagi kita untuk mendeteksi keberadaannya dan bahkan mengukurnya. Mereka telah sampai di dimensi gelap.

The Dark Tower

Untuk memahami asal usul partikel cahaya yang disimpulkan, kita perlu memundurkan sejarah kosmologis ke mikrodetik pertama setelah Big Bang. Saat ini, kosmos didominasi oleh radiasi — foton dan partikel lain yang bergerak mendekati kecepatan cahaya. Partikel-partikel ini sudah dijelaskan oleh Model Standar fisika partikel, namun dalam skenario dimensi gelap, sekelompok partikel yang bukan bagian dari Model Standar dapat muncul ketika partikel-partikel yang sudah dikenal saling bertabrakan.

“Sesekali, partikel radiasi ini bertabrakan satu sama lain, menciptakan apa yang kita sebut 'graviton gelap',” kata Georges Patuh, seorang fisikawan di Universitas Oxford yang membantu kerajinan teori graviton gelap.

Biasanya, fisikawan mendefinisikan graviton sebagai partikel tak bermassa yang bergerak dengan kecepatan cahaya dan membawa gaya gravitasi, mirip dengan foton tak bermassa yang membawa gaya elektromagnetik. Namun dalam skenario ini, seperti yang dijelaskan Obied, tabrakan awal ini menciptakan jenis graviton yang berbeda – sesuatu yang bermassa. Lebih dari itu, mereka menghasilkan berbagai graviton yang berbeda.

“Ada satu graviton tak bermassa, yang merupakan graviton biasa yang kita kenal,” kata Obied. “Dan ada banyak sekali salinan graviton gelap, yang semuanya berukuran sangat besar.” Massa graviton gelap yang didalilkan, secara kasar, adalah bilangan bulat dikalikan konstanta, M, yang nilainya terikat pada konstanta kosmologis. Dan ada “menara” yang lengkap dengan rentang massa dan tingkat energi yang luas.

Untuk memahami bagaimana semua ini bisa terjadi, bayangkan dunia empat dimensi kita sebagai permukaan sebuah bola. Kita tidak bisa meninggalkan permukaan itu selamanya – baik atau buruk – dan hal ini juga berlaku untuk setiap partikel dalam Model Standar.

Graviton, bagaimanapun, bisa pergi ke mana saja, dengan alasan yang sama seperti gravitasi ada di mana-mana. Dan di situlah dimensi gelap masuk.

Untuk menggambarkan dimensi tersebut, kata Vafa, pikirkan setiap titik pada permukaan imajinasi dunia empat dimensi kita dan tempelkan sebuah lingkaran kecil padanya. Lingkaran itu (setidaknya secara skematis) adalah dimensi ekstra. Jika dua partikel Model Standar bertabrakan dan menciptakan graviton, graviton tersebut “dapat bocor ke dalam lingkaran ekstradimensi tersebut dan bergerak mengelilinginya seperti gelombang,” kata Vafa. (Mekanika kuantum memberi tahu kita bahwa setiap partikel, termasuk graviton dan foton, dapat berperilaku seperti partikel dan gelombang – sebuah konsep berusia 100 tahun yang dikenal sebagai dualitas gelombang-partikel.)

Saat graviton bocor ke dimensi gelap, gelombang yang dihasilkannya dapat memiliki frekuensi berbeda, masing-masing sesuai dengan tingkat energi berbeda. Dan gravitasi masif tersebut, yang bergerak mengelilingi lingkaran ekstradimensi, menghasilkan pengaruh gravitasi yang signifikan pada titik di mana lingkaran tersebut menempel pada bola.

“Mungkinkah ini materi gelap?” Vafa merenung. Graviton yang mereka buat, bagaimanapun juga, berinteraksi secara lemah namun mampu menghasilkan sejumlah gaya gravitasi. Salah satu manfaat dari gagasan ini, katanya, adalah bahwa graviton telah menjadi bagian dari fisika selama 90 tahun, pertama kali diusulkan sebagai pembawa gaya gravitasi. (Gaviton, perlu dicatat, adalah partikel hipotetis, dan belum terdeteksi secara langsung.) Untuk menjelaskan materi gelap, “kita tidak perlu memasukkan partikel baru,” katanya.

Graviton yang dapat bocor ke domain ekstra-dimensi adalah “kandidat alami materi gelap,” katanya Georgi Dvali, direktur Institut Fisika Max Planck, yang tidak bekerja secara langsung pada gagasan dimensi gelap.

Dimensi besar seperti dimensi gelap yang dikemukakan akan memiliki ruang untuk panjang gelombang yang panjang, yang berarti partikel berfrekuensi rendah, berenergi rendah, dan bermassa rendah. Namun jika graviton gelap bocor ke dalam salah satu dimensi kecil teori string, panjang gelombangnya akan sangat pendek dan massa serta energinya akan sangat tinggi. Partikel supermasif seperti ini tidak stabil dan berumur sangat pendek. Mereka “akan lama hilang,” kata Dvali, “tanpa kemungkinan menjadi materi gelap di alam semesta saat ini.”

Gravitasi dan pembawanya, graviton, menembus seluruh dimensi teori string. Namun dimensi gelap jauh lebih besar — ​​dengan besaran yang berlipat ganda — dibandingkan dimensi tambahan lainnya sehingga kekuatan gravitasi akan berkurang, membuatnya tampak lemah di dunia empat dimensi kita, jika ia merembes ke dalam dimensi gelap yang lebih luas. . “Ini menjelaskan perbedaan luar biasa [dalam kekuatan] antara gravitasi dan gaya lainnya,” kata Dvali, sambil mencatat bahwa efek yang sama juga akan terlihat pada skenario ekstra-dimensi lainnya.

Mengingat skenario dimensi gelap dapat memprediksi hal-hal seperti materi gelap, maka skenario ini dapat diuji secara empiris. “Jika saya memberi Anda korelasi yang tidak akan pernah bisa Anda uji, Anda tidak akan pernah bisa membuktikan bahwa saya salah,” kata Valenzuela, salah satu penulis penelitian tersebut. kertas dimensi gelap asli. “Jauh lebih menarik untuk memprediksi sesuatu yang sebenarnya bisa Anda buktikan atau sangkal.”

Teka-teki Kegelapan

Para astronom telah mengetahui keberadaan materi gelap – setidaknya dalam beberapa bentuk – sejak tahun 1978, ketika astronom Vera Rubin menemukan bahwa galaksi berotasi begitu cepat sehingga bintang-bintang di pinggiran terluarnya akan terlempar ke kejauhan jika bukan karena kumpulan materi gelap yang sangat besar. substansi yang menahan mereka. Namun, mengidentifikasi zat tersebut terbukti sangat sulit. Meskipun upaya eksperimental selama hampir 40 tahun untuk mendeteksi materi gelap, tidak ada partikel seperti itu yang ditemukan.

Jika materi gelap ternyata adalah graviton gelap, yang interaksinya sangat lemah, kata Vafa, hal itu tidak akan berubah. “Mereka tidak akan pernah ditemukan secara langsung.”

Namun mungkin ada peluang untuk secara tidak langsung mengenali tanda-tanda graviton tersebut.

Salah satu strategi yang dilakukan Vafa dan kolaboratornya mengacu pada survei kosmologi berskala besar yang memetakan distribusi galaksi dan materi. Dalam distribusi tersebut, mungkin terdapat “perbedaan kecil dalam perilaku pengelompokan,” kata Obied, yang menandakan adanya graviton gelap.

Ketika graviton gelap yang lebih berat meluruh, mereka menghasilkan sepasang graviton gelap yang lebih terang dengan massa gabungan yang sedikit lebih kecil dari massa partikel induknya. Massa yang hilang diubah menjadi energi kinetik (sesuai dengan rumus Einstein, E = mc²), yang memberikan sedikit dorongan pada graviton yang baru dibuat — “kecepatan tendangan” yang diperkirakan sekitar sepersepuluh ribu kecepatan cahaya.

Kecepatan ledakan ini, pada gilirannya, dapat memengaruhi pembentukan galaksi. Menurut model kosmologis standar, galaksi dimulai dari segumpal materi yang tarikan gravitasinya menarik lebih banyak materi. Namun graviton dengan kecepatan tendangan yang cukup dapat lolos dari cengkeraman gravitasi ini. Jika hal ini terjadi, maka galaksi yang dihasilkan akan menjadi lebih kecil dari perkiraan model kosmologi standar. Para astronom dapat mencari perbedaan ini.

Pengamatan terbaru terhadap struktur kosmik dari Survei Kilo Derajat sejauh ini konsisten dengan dimensi gelap: Sebuah analisis data dari survei tersebut menempatkan batas atas pada kecepatan tendangan yang sangat mendekati nilai yang diprediksi oleh Obied dan rekan penulisnya. Tes yang lebih ketat akan dilakukan oleh teleskop luar angkasa Euclid yang diluncurkan Juli lalu.

Sementara itu, fisikawan juga berencana menguji ide dimensi gelap di laboratorium. Jika gravitasi bocor ke dalam dimensi gelap yang berukuran 1 mikron, pada prinsipnya kita dapat mencari penyimpangan dari gaya gravitasi yang diharapkan antara dua benda yang dipisahkan oleh jarak yang sama. Ini bukan eksperimen yang mudah untuk dilakukan, kata Armin Shayeghi, seorang fisikawan di Akademi Ilmu Pengetahuan Austria yang melakukan tes. Namun “ada alasan sederhana mengapa kita harus melakukan eksperimen ini,” tambahnya: Kita tidak akan mengetahui bagaimana gravitasi berperilaku pada jarak sedekat itu sampai kita melihatnya.

Grafik pengukuran terdekat hingga saat ini — dilakukan pada tahun 2020 di Universitas Washington — melibatkan pemisahan 52 mikron antara dua badan uji. Kelompok Austria berharap pada akhirnya mencapai kisaran 1 mikron yang diprediksi untuk dimensi gelap.

Meskipun para fisikawan menganggap usulan dimensi gelap itu menarik, ada pula yang skeptis bahwa usulan itu akan berhasil. “Mencari dimensi ekstra melalui eksperimen yang lebih tepat adalah hal yang sangat menarik untuk dilakukan,” ujarnya Juan Maldacena, seorang fisikawan di Institute for Advanced Study, “walaupun menurut saya kemungkinan untuk menemukannya rendah.”

Joseph Conlon, seorang ahli fisika di Oxford, berbagi skeptisisme tersebut: “Ada banyak gagasan yang mungkin penting jika benar, tetapi mungkin juga tidak. Ini salah satunya. Dugaan yang mendasarinya agak ambisius, dan menurut saya bukti yang ada saat ini agak lemah.”

Tentu saja, bobot bukti dapat berubah, itulah sebabnya kami melakukan eksperimen terlebih dahulu. Usulan dimensi gelap, jika didukung oleh pengujian yang akan datang, berpotensi membawa kita lebih dekat untuk memahami apa itu materi gelap, bagaimana ia terkait dengan energi gelap dan gravitasi, dan mengapa gravitasi tampak lemah dibandingkan gaya lain yang diketahui. “Para ahli teori selalu mencoba melakukan hal ini dengan 'mengikat bersama'. Dimensi gelap adalah salah satu ide paling menjanjikan yang pernah saya dengar dalam arah ini,” kata Gopakumar.

Namun ironisnya, satu hal yang tidak dapat dijelaskan oleh hipotesis dimensi gelap adalah mengapa konstanta kosmologis sangat kecil – sebuah fakta membingungkan yang pada dasarnya mengawali seluruh rangkaian penyelidikan ini. “Memang benar program ini tidak menjelaskan fakta tersebut,” aku Vafa. “Tetapi yang dapat kami katakan, berdasarkan skenario ini, adalah jika lambda berukuran kecil – dan Anda menjelaskan konsekuensinya – maka serangkaian hal menakjubkan dapat terjadi.”