Pengantar
Fisikawan percaya bahwa mereka telah mendeteksi asimetri yang mencolok dalam susunan galaksi di langit. Jika terkonfirmasi, temuan itu akan menunjuk pada ciri-ciri hukum dasar yang tidak diketahui yang bekerja selama Big Bang.
"Jika hasil ini nyata, seseorang akan mendapatkan Hadiah Nobel," kata dia Marc Kamionkowski, seorang fisikawan di Universitas Johns Hopkins yang tidak terlibat dalam analisis tersebut.
Seolah memainkan permainan kosmik Connect the Dots, para peneliti menggambar garis di antara kumpulan empat galaksi, membangun bentuk empat sudut yang disebut tetrahedra. Ketika mereka telah membangun setiap kemungkinan tetrahedron dari katalog 1 juta galaksi, mereka menemukan bahwa orientasi tetrahedron ke satu arah lebih banyak daripada gambar cermin mereka.
Sedikit ketidakseimbangan antara tetrahedra dan bayangan cerminnya adalah yang pertama melaporkan by Oliver Philcox, seorang ahli astrofisika di Universitas Columbia di New York, dalam sebuah makalah yang diterbitkan di Ulasan Fisik D di bulan September. Dalam analisis independen yang dilakukan secara bersamaan yang kini menjalani tinjauan sejawat, Jiamin Hou dan Zachary Slepian dari Universitas Florida dan Robert Cahn Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley terdeteksi asimetri dengan tingkat kepastian statistik yang biasanya dianggap definitif oleh fisikawan.
Tetapi dengan temuan blockbuster seperti itu – dan yang masih dalam peninjauan – para ahli mengatakan kehati-hatian diperlukan.
"Tidak ada alasan yang jelas bahwa mereka telah melakukan kesalahan," kata Shaun Hotchkiss, seorang ahli kosmologi di University of Auckland. "Itu tidak berarti bahwa tidak ada kesalahan."
Ketidakseimbangan diduga melanggar simetri yang disebut "paritas", persamaan kiri dan kanan. Jika pengamatan dapat bertahan dengan cermat, fisikawan berpikir itu pasti mencerminkan bahan yang tidak diketahui dan melanggar paritas dalam proses primordial yang menaburkan benih dari semua struktur yang berkembang di alam semesta kita.
“Ini hasil yang luar biasa – sangat mengesankan,” kata Kamionkowski. “Apakah saya percaya? Saya akan menunggu untuk benar-benar merayakannya.”
Alam Semesta Tangan Kiri
Paritas pernah menjadi simetri fisika yang disayangi. Tapi kemudian, pada tahun 1957, percobaan peluruhan nuklir fisikawan Cina Amerika Chien-Shiung Wu mengungkapkan bahwa alam semesta kita memang sedikit kidal terhadapnya: Partikel subatomik yang terlibat dalam gaya nuklir lemah, yang menyebabkan peluruhan nuklir, selalu berorientasi magnetis ke arah yang berlawanan dari arah geraknya, sehingga mereka berputar seperti benang kiri -tangan sekrup. Partikel bayangan cermin — yang seperti sekrup tangan kanan — tidak merasakan gaya lemah.
Pengungkapan Wu sangat mengejutkan. "Kita semua agak terguncang oleh kematian sahabat kita yang tercinta, paritas," tulis fisikawan John Blatt dalam sepucuk surat kepada Wolfgang Pauli.
Sifat kidal dari gaya lemah memiliki efek halus yang tidak dapat memengaruhi kosmos pada skala galaksi. Tapi sejak penemuan Wu, fisikawan telah mencari cara lain di mana alam semesta berbeda dari bayangan cerminnya.
Jika, misalnya, beberapa pelanggaran paritas primordial terjadi ketika alam semesta masih dalam tahap awal, hal itu mungkin telah membekaskan perubahan pada struktur kosmos.
Pada atau menjelang kelahiran alam semesta, sebuah medan yang dikenal sebagai inflaton diperkirakan telah menembus ruang angkasa. Media yang bergolak dan mendidih di mana partikel inflasi terus menggelegak dan menghilang, medan inflasi juga menjijikkan; untuk waktu yang singkat itu mungkin ada, itu akan menyebabkan alam semesta kita mengembang dengan cepat hingga 100 triliun triliun kali ukuran aslinya. Semua fluktuasi kuantum partikel di medan inflasi terlempar ke luar dan membeku ke dalam kosmos, menjadi variasi kepadatan materi. Kantong yang lebih padat terus menyatu secara gravitasi untuk menghasilkan galaksi dan struktur skala besar yang kita lihat sekarang.
Pada tahun 1999, peneliti termasuk Kamionkowski dianggap apa yang akan terjadi jika ada lebih dari satu medan sebelum ledakan ini. Bidang inflasi dapat berinteraksi dengan bidang lain yang dapat menghasilkan partikel tangan kanan dan tangan kiri. Jika inflaton memperlakukan partikel tangan kanan secara berbeda dari yang kidal, maka ia dapat secara istimewa menciptakan partikel satu tangan di atas yang lain. Apa yang disebut penggandengan Chern-Simons ini akan mengilhami fluktuasi kuantum awal dengan kecenderungan yang lebih disukai, yang akan berkembang menjadi ketidakseimbangan susunan galaksi tetrahedral tangan kiri dan tangan kanan.
Adapun apa medan tambahan itu, salah satu kemungkinannya adalah medan gravitasi. Dalam skenario ini, interaksi Chern-Simons yang melanggar paritas akan terjadi antara partikel inflasi dan graviton — satuan gravitasi kuantum — yang akan muncul di medan gravitasi selama inflasi. Interaksi seperti itu akan menciptakan kesewenang-wenangan dalam variasi kerapatan alam semesta awal dan, akibatnya, dalam struktur berskala besar saat ini.
Pengantar
Dalam 2006, Stephan Alexander, fisikawan sekarang di Brown University, disarankan bahwa gravitasi Chern-Simon juga berpotensi memecahkan salah satu misteri terbesar dalam kosmologi: mengapa alam semesta kita mengandung lebih banyak materi daripada antimateri. Dia menduga bahwa interaksi Chern-Simons dapat menghasilkan graviton kidal yang relatif melimpah, yang pada gilirannya akan menciptakan materi kidal daripada antimateri kidal.
Gagasan Alexander relatif tidak jelas selama bertahun-tahun. Ketika dia mendengar tentang temuan baru tersebut, dia berkata, “itu adalah kejutan besar.”
Tetrahedra di Langit
Cahn menganggap kemungkinan memecahkan teka-teki asimetri materi-antimateri dengan pelanggaran paritas di awal alam semesta adalah "spekulatif, tetapi juga provokatif". Pada 2019, dia memutuskan untuk mencari pelanggaran paritas dalam katalog galaksi di Sloan Digital Sky Survey. Dia tidak berharap menemukan apa pun tetapi berpikir itu layak untuk dicoba.
Untuk menguji apakah distribusi galaksi menghormati atau melanggar paritas, dia dan kolaboratornya tahu bahwa mereka perlu mempelajari susunan tetrahedral dari empat galaksi. Ini karena tetrahedron adalah bentuk tiga dimensi yang paling sederhana, dan hanya objek 3D yang berpeluang melanggar paritas. Untuk memahami ini, pertimbangkan tangan Anda. Karena tangan adalah 3D, tidak ada cara untuk memutar tangan kiri agar terlihat seperti tangan kanan. Balikkan tangan kiri Anda sehingga ibu jari kedua tangan berada di kiri, dan tangan Anda tetap terlihat berbeda — telapak tangan menghadap ke arah berlawanan. Sebaliknya, jika Anda menjiplak tangan kiri pada selembar kertas dan memotong gambar 2D, membalik potongan tersebut membuatnya tampak seperti tangan kanan. Potongan dan gambar cerminnya tidak bisa dibedakan.
Pada tahun 2020, Slepian dan Cahn menemukan cara untuk mendefinisikan "kesewenang-wenangan" susunan tetrahedral galaksi untuk membandingkan jumlah galaksi kidal dan kidal di langit. Pertama mereka mengambil sebuah galaksi dan melihat jarak ke tiga galaksi lainnya. Jika jarak bertambah searah jarum jam seperti sekrup tangan kanan, mereka menyebut tetrahedron tangan kanan. Jika jarak meningkat berlawanan arah jarum jam, itu kidal.
Untuk menentukan apakah alam semesta secara keseluruhan lebih disukai kidal, mereka harus mengulang analisis untuk semua tetrahedra yang dibangun dari database 1 juta galaksi mereka. Ada hampir 1 triliun triliun tetrahedra semacam itu — daftar yang sulit untuk ditangani satu per satu. Tapi trik pemfaktoran berkembang di pekerjaan sebelumnya pada masalah yang berbeda memungkinkan para peneliti untuk melihat paritas tetrahedra secara lebih holistik: Daripada menyusun satu tetrahedron pada satu waktu dan menentukan paritasnya, mereka dapat mengambil setiap galaksi secara bergiliran dan mengelompokkan semua galaksi lain menurut jarak mereka dari galaksi itu, membuat lapisan seperti lapisan bawang. Dengan mengungkapkan posisi relatif galaksi di setiap lapisan dalam bentuk fungsi matematis sudut yang disebut harmonik bola, mereka dapat secara sistematis menggabungkan kumpulan tiga lapisan untuk membuat tetrahedra kolektif.
Para peneliti kemudian membandingkan hasilnya dengan ekspektasi mereka berdasarkan hukum fisika yang mempertahankan paritas. Hou memimpin langkah ini, menganalisis katalog palsu galaksi yang telah dihasilkan dengan mensimulasikan evolusi alam semesta mulai dari variasi densitas kecil yang menjaga paritas. Dari katalog tiruan ini, Hou dan rekan-rekannya dapat menentukan bagaimana penghitungan tetrahedra tangan kiri dan tangan kanan bervariasi secara acak, bahkan di dunia cermin-simetris.
Tim menemukan tingkat pelanggaran paritas "tujuh-sigma" dalam data nyata, yang berarti bahwa ketidakseimbangan antara tetrahedra tangan kiri dan tangan kanan adalah tujuh kali lebih besar dari kemungkinan acak dan sumber kesalahan lain yang dapat dibayangkan.
Kamionkowski menyebutnya “luar biasa bahwa mereka dapat melakukan itu,” menambahkan bahwa “secara teknis, ini benar-benar mencengangkan. Ini adalah analisis yang sangat, sangat, sangat rumit.”
Philcox menggunakan metode serupa (dan telah ikut menulis beberapa makalah sebelumnya yang mengusulkan analisis semacam itu dengan Hou, Slepian dan Cahn), tetapi dia membuat beberapa pilihan berbeda — misalnya, mengelompokkan galaksi ke dalam lapisan yang lebih sedikit daripada Hou dan rekannya, dan menghilangkan beberapa masalah tetrahedra dari analisis — dan karenanya menemukan pelanggaran paritas 2.9 sigma yang lebih sederhana. Para peneliti sekarang mempelajari perbedaan antara analisis mereka. Bahkan setelah upaya ekstensif untuk memahami data, semua pihak tetap berhati-hati.
Bukti Penguat
Temuan mengejutkan mengisyaratkan fisika baru yang berpotensi menjawab pertanyaan lama tentang alam semesta. Tapi pekerjaan baru saja dimulai.
Fisikawan pertama perlu memverifikasi (atau memalsukan) pengamatan. Survei galaksi baru yang ambisius untuk mengulang analisis sudah dilakukan. Survei Instrumen Spektroskopi Energi Gelap yang sedang berlangsung, misalnya, sejauh ini telah mencatat 14 juta galaksi dan akan berisi lebih dari 30 juta saat selesai. “Itu akan memberi kita kesempatan untuk melihat ini lebih detail dengan statistik yang jauh lebih baik,” kata Cahn.
Pengantar
Selain itu, jika sinyal yang melanggar paritas itu nyata, ia dapat muncul dalam data selain distribusi galaksi. Cahaya tertua di langit, misalnya — bak radiasi yang dikenal sebagai latar belakang gelombang mikro kosmik, yang tersisa dari alam semesta awal — memberikan gambaran paling awal tentang variasi spasial di kosmos. Pola belang-belang cahaya ini harus mengandung korelasi yang melanggar paritas yang sama dengan galaksi yang terbentuk kemudian. Fisikawan mengatakan itu mungkin untuk menemukan sinyal seperti itu dalam cahaya.
Tempat lain untuk melihat adalah pola gelombang gravitasi yang mungkin dihasilkan selama inflasi, yang disebut latar belakang gelombang gravitasi stokastik. Riak-riak mirip pembuka botol di jalinan ruang-waktu ini bisa tangan kanan atau tangan kiri, dan di dunia yang menjaga paritas, masing-masing riak akan mengandung jumlah yang sama. Jadi, jika fisikawan berhasil mengukur latar belakang ini dan menemukan bahwa keberpihakan lebih disukai, ini akan menjadi pemeriksaan independen yang tidak ambigu terhadap fisika yang melanggar paritas di alam semesta awal.
Saat pencarian bukti yang menguatkan dimulai, ahli teori akan mempelajari model inflasi yang bisa menghasilkan sinyal. Dengan Giovanni Cabas, seorang fisikawan teoretis di Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, Philcox baru-baru ini menggunakan pengukurannya untuk menguji banyak model yang melanggar paritas inflasi, termasuk jenis Chern-Simons. (Mereka belum bisa mengatakan dengan pasti model mana, jika ada, yang benar.)
Alexander juga memfokuskan kembali upayanya untuk memahami gravitasi Chern-Simon. Dengan kolaborator termasuk Kamionkowski dan Cyril Creque-Sarbinowski dari Pusat Astrofisika Komputasi Flatiron Institute, Alexander telah mulai menyusun detail halus tentang bagaimana gravitasi Chern-Simons di alam semesta awal akan memengaruhi distribusi galaksi saat ini.
“Saya seperti seorang prajurit yang mendorong barang-barang ini untuk sementara waktu,” katanya. “Senang melihat orang-orang tertarik.”
Catatan Editor: Flatiron Institute didanai oleh Simons Foundation, yang juga mendukung majalah independen editorial ini. Selain itu, Oliver Philcox menerima dana dari Simons Foundation.
