Ilmuwan Australia membuat langkah untuk memecahkan salah satu misteri terbesar alam semesta: sifat materi gelap yang tak terlihat.
Eksperimen ORGAN, detektor materi gelap utama pertama di Australia, baru-baru ini menyelesaikan pencarian partikel hipotetis yang disebut axion—kandidat populer di antara teori-teori yang mencoba menjelaskan materi gelap.
ORGAN telah menempatkan batasan baru pada kemungkinan karakteristik axion dan dengan demikian membantu mempersempit pencarian mereka. Tapi sebelum kita maju dari diri kita sendiri ...
Mari Kita Mulai Dengan Sebuah Cerita
Sekitar 14 miliar tahun yang lalu, semua bagian kecil materi—partikel dasar yang nantinya akan menjadi Anda, planet, dan galaksi—dipadatkan menjadi satu wilayah yang sangat padat dan panas.
Kemudian Big Bang terjadi dan semuanya terbang terpisah. Partikel bergabung menjadi atom, yang akhirnya menggumpal menjadi bintang, yang meledak dan menciptakan semua jenis materi eksotis.
Setelah beberapa miliar tahun datanglah Bumi, yang akhirnya merangkak dengan benda-benda kecil yang disebut manusia. Ceritanya keren, kan? Ternyata itu bukan keseluruhan cerita; itu bahkan tidak setengah.
Manusia, planet, bintang, dan galaksi semuanya terbuat dari materi biasa. Tapi kita tahu materi biasa hanya seperenam dari semua materi di alam semesta.
Sisanya terbuat dari apa yang kita sebut materi gelap. Namanya memberi tahu Anda hampir semua yang kami ketahui tentangnya. Itu tidak memancarkan cahaya (jadi kami menyebutnya gelap), dan memiliki massa (jadi kami menyebutnya materi).
Jika Itu Tidak Terlihat, Bagaimana Kita Tahu Itu Ada?
Ketika kita mengamati cara benda-benda bergerak di ruang angkasa, kita berulang kali menemukan bahwa kita tidak dapat menjelaskan pengamatan kita jika kita hanya mempertimbangkan apa yang dapat kita lihat.
Galaksi yang berputar adalah contoh yang bagus. Kebanyakan galaksi berputar dengan kecepatan yang tidak dapat dijelaskan oleh tarikan gravitasi dari materi yang terlihat saja.
Jadi pasti ada materi gelap di galaksi-galaksi ini, yang memberikan gravitasi ekstra dan memungkinkan mereka berputar lebih cepat—tanpa bagian-bagiannya terlempar ke luar angkasa. Kami pikir materi gelap benar-benar menyatukan galaksi.
Jadi pasti ada sejumlah besar materi gelap di alam semesta, menarik semua hal yang bisa kita lihat. Itu juga melewatimu, seperti semacam hantu kosmik. Anda hanya tidak bisa merasakannya.
Bagaimana Kita Bisa Mendeteksinya?
Banyak ilmuwan percaya materi gelap dapat terdiri dari partikel hipotetis yang disebut axion. Axion awalnya diusulkan sebagai bagian dari solusi untuk masalah besar lain dalam fisika partikel yang disebut masalah CP kuat (yang bisa kita tulis di seluruh artikel).
Bagaimanapun, setelah axion diusulkan, para ilmuwan menyadari bahwa partikel itu juga dapat membentuk materi gelap dalam kondisi tertentu. Itu karena axion diharapkan memiliki interaksi yang sangat lemah dengan materi biasa, tetapi masih memiliki massa: dua kondisi yang diperlukan untuk materi gelap.
Jadi bagaimana Anda mencari axion?
Karena materi gelap diperkirakan ada di sekitar kita, kita bisa membuat detektor di sini, di Bumi. Dan, untungnya, teori yang memprediksi axion juga memprediksi bahwa axion dapat berubah menjadi foton (partikel cahaya) dalam kondisi yang tepat.
Ini adalah kabar baik, karena kami hebat dalam mendeteksi foton. Dan inilah yang dilakukan ORGAN. Ini merekayasa kondisi yang tepat untuk konversi axion-foton dan mencari sinyal foton yang lemah—kilatan kecil cahaya yang dihasilkan oleh materi gelap yang melewati detektor.
Eksperimen semacam ini disebut haloskop axion dan pertama kali diusulkan di 1980s. Ada beberapa di dunia saat ini, masing-masing sedikit berbeda dalam hal-hal penting.
Menerangi Materi Gelap
Sebuah axion diyakini berubah menjadi foton dengan adanya medan magnet yang kuat. Dalam haloscope biasa, kami menghasilkan medan magnet ini menggunakan elektromagnet besar yang disebut solenoid superkonduktor.
Di dalam medan magnet, kami menempatkan satu atau beberapa ruang berongga dari logam, yang dimaksudkan untuk menjebak foton dan menyebabkannya memantul di dalam, membuatnya lebih mudah untuk dideteksi.
Namun, ada satu cegukan. Segala sesuatu yang memiliki suhu terus-menerus memancarkan kilatan cahaya acak kecil (itulah sebabnya kamera pencitraan termal bekerja). Emisi acak ini, atau kebisingan, mempersulit pendeteksian sinyal materi gelap samar yang kita cari.
Untuk mengatasi ini, kami telah menempatkan resonator kami di lemari es pengenceran. Kulkas mewah ini mendinginkan eksperimen hingga suhu kriogenik, sekitar 273°C, yang sangat mengurangi kebisingan.
Semakin dingin eksperimen, semakin baik kita dapat "mendengarkan" foton samar yang dihasilkan selama konversi materi gelap.
Menargetkan Wilayah Massal
Sebuah aksia dengan massa tertentu akan berubah menjadi foton dengan frekuensi atau warna tertentu. Tetapi karena massa axion tidak diketahui, eksperimen harus menargetkan pencarian mereka ke wilayah yang berbeda, dengan fokus pada wilayah di mana materi gelap dianggap lebih mungkin ada.
Jika tidak ada sinyal materi gelap yang ditemukan, maka eksperimen tersebut tidak cukup sensitif untuk mendengar sinyal di atas kebisingan, atau tidak ada materi gelap di wilayah massa aksion yang sesuai.
Ketika ini terjadi, kami menetapkan "batas pengecualian"—yang hanya merupakan cara untuk mengatakan "kami tidak menemukan materi gelap dalam rentang massa ini, hingga tingkat sensitivitas ini." Ini memberitahu komunitas peneliti materi gelap lainnya untuk mengarahkan pencarian mereka ke tempat lain.
ORGAN adalah eksperimen paling sensitif dalam rentang frekuensi yang ditargetkan. Prosesnya baru-baru ini mendeteksi tidak ada sinyal materi gelap. Hasil ini telah menetapkan batas pengecualian penting pada karakteristik yang mungkin dari aksis.
Ini adalah tahap pertama dari rencana multi-tahun untuk mencari axion. Kami sedang mempersiapkan eksperimen berikutnya, yang akan lebih sensitif dan menargetkan rentang massa baru yang belum dijelajahi.
Tapi Mengapa Materi Gelap Itu Penting?
Misalnya, kita tahu dari sejarah bahwa ketika kita berinvestasi dalam fisika dasar, kita akhirnya mengembangkan teknologi penting. Misalnya, semua komputasi modern bergantung pada pemahaman kita tentang mekanika kuantum.
Kita tidak akan pernah menemukan listrik, atau gelombang radio, jika kita tidak mengejar hal-hal yang, pada saat itu, tampak sebagai fenomena fisik yang aneh di luar pemahaman kita. Materi gelap juga sama.
Pertimbangkan semua yang telah dicapai manusia dengan memahami hanya seperenam dari materi di alam semesta—dan bayangkan apa yang dapat kita lakukan jika kita membuka sisanya.
Artikel ini diterbitkan kembali dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Membaca Artikel asli.
Gambar Kredit: Kolaborasi Ilustrasi
