Untuk Hindari Multiverse, Fisikawan Usulkan Kesimetrian Skala

Oleh: Natalie Wolchover
18 Agustus 2014
Sumber: www.quantamagazine.org

Massa dan panjang mungkin bukanlah atribut fundamental alam, menurut ide-ide baru yang menggelembung dari multiverse.

Dalam sebuah teori baru nan radikal, skala massa dan panjang timbul dari interaksi antar partikel. (Andy Gilmore untuk Quanta Magazine)
Dalam sebuah teori baru nan radikal, skala massa dan panjang timbul dari interaksi antar partikel. (Andy Gilmore untuk Quanta Magazine)

Walau galaksi terlihat lebih besar dari atom, dan gajah terlihat lebih berat dari semut, beberapa fisikawan mulai curiga bahwa perbedaaan ukuran adalah ilusi. Jangan-jangan deskripsi fundamental alam semesta tidak mencakup konsep “massa” dan “panjang”; berarti di intinya, alam tak punya rasa akan skala (sense of scale).

Gagasan yang belum banyak digali ini, dikenal sebagai kesimetrian skala, merupakan penyimpangan radikal dari asumsi lama tentang bagaimana partikel-partikel unsur memperoleh atribut mereka. Tapi ini baru muncul sebagai tema umum dalam banyak ceramah dan makalah para fisikawan partikel terkemuka. Dengan mogoknya bidang mereka di jalan buntu menyesakkan, para peneliti kembali ke persamaan-persamaan induk yang mendeskripsikan partikel dikenal dan interaksinya, dan bertanya: apa yang terjadi bila Anda menghapus suku-suku dalam persamaan yang berkaitan dengan massa dan panjang?

Alam, di tingkat terdalam, mungkin tidak membedakan skala-skala. Dengan kesimetrian skala, fisikawan memulai dari persamaan dasar yang menjelaskan sekumpulan partikel tak bermassa, masing-masing merupakan pertemuan unik sifat-sifat khas, misalnya apakah ia materi atau antimateri dan bermuatan listrik positif atau negatif. Sementara partikel-partikel ini saling menarik dan menolak dan efek interaksi mereka ambruk beruntun seperti domino sepanjang kalkulasi, kesimetrian skala “rusak”, lalu massa dan panjang timbul secara spontan.

Efek-efek dinamis serupa menghasilkan 99% massa di alam semesta tampak (visible universe). Proton dan neutron adalah amalgam/campuran—masing-masing membentuk trio partikel unsur kelas ringan yang disebut quark. Energi yang dipakai untuk menjaga kesatuan quark memberinya massa gabungan yang kira-kira 100 kali lebih banyak daripada jumlahan [massa] komponen-komponennya. “Mayoritas massa yang kita lihat dihasilkan dengan cara ini. Jadi kami tertarik untuk mencaritahu apakah mungkin menghasilkan semua massa dengan cara ini,” kata Alberto Salvio, fisikawan partikel di Autonomous University of Madrid dan salah satu pengarang sebuah makalah anyar mengenai teori kesimetrian skala alam.

Dalam persamaan-persamaan “Standard Model” fisika partikel, cuma partikel bernama boson Higgs, ditemukan pada 2012, yang diperlengkapi massa dari awal. Menurut sebuah teori yang dikembangkan 50 tahun silam oleh fisikawan Inggris Peter Higgs dan rekan-rekan, boson Higgs membagikan massa kepada partikel-partikel unsur lain lewat interaksinya dengan mereka. Elektron, boson W dan Z, quark individual, dan sebagainya: massa mereka semua diyakini berasal dari boson Higgs—dan, dalam efek umpan-balik, mereka serentak menaikkan atau menurunkan massa Higgs pula.

Pendekatan kesimetrian skala baru ini menulis ulang awal cerita.

“Gagasannya adalah bahwa massa Higgs pun sebetulnya tidak ada,” kata Alessandro Strumia, fisikawan partikel di Universitas Pisa, Italia. “Itu dapat dipahami dengan suatu dinamika.”

Alessandro Strumia dari Universitas Pisa, sedang berceramah di sebuah konferensi tahun 2013, turut mengembangkan teori kesimetrian skala fisika partikel yang disebut “agravitasi”. (Thomas Lin/Quanta Magazine)
Alessandro Strumia dari Universitas Pisa, sedang berceramah di sebuah konferensi tahun 2013, turut mengembangkan teori kesimetrian skala fisika partikel yang disebut “agravitasi”. (Thomas Lin/Quanta Magazine)

Konsep tersebut terasa dibuat-buat, tapi itu menghimpun perhatian di masa tersebar luasnya introspeksi di bidang ini. Ketika Large Hadron Collider di Laboratorium CERN Jenewa tutup untuk upgrade di awal 2013, benturan-benturannya gagal menghasilkan lusinan partikel yang dimasukkan oleh banyak teoris ke dalam persamaan-persamaan mereka selama lebih dari 30 tahun. Kegagalan besar ini mengisyaratkan, para peneliti mungkin mengambil tikungan keliru berdekade-dekade silam dalam memahami cara menghitung massa partikel.

“Kita tidak dalam posisi untuk bersikap sombong akan pemahaman kita terhadap hukum alam,” kata Michael Dine, profesor fisika di Universitas California, Santa Cruz, yang terus mengikuti penelitian baru tentang kesimetrian skala. “Hal-hal yang sebelumnya saya sikapi dengan skeptis, kini saya bersedia mempertimbangkannya.”

Persoalan Higgs Raksasa

Pendekatan kesimetrian skala dapat ditelusuri sampai tahun 1995, ketika William Bardeen, fisikawan di Fermi National Accelerator Laboratory di Batavia, Illinois, menunjukkan bahwa massa boson Higgs dan partikel-partikel Standard Model lain dapat dikalkulasi sebagai konsekuensi dari kerusakan kesimetrian skala secara spontan. Tapi pada waktu itu pendekatan Bardeen gagal meraih popularitas. Keseimbangan peka kalkulasinya mudah rusak ketika para peneliti berupaya memasukkan partikel baru yang belum ditemukan, contohnya partikel-partikel yang diusulkan untuk menjelaskan misteri dark matter dan gravitasi.

Malah, peneliti tertarik pada pendekatan lain bernama “supersimetri” yang tentu saja memprediksi lusinan partikel baru. Satu atau lebih dari partikel-partikel ini dapat menerangkan dark matter. Dan supersimetri juga menyediakan solusi langsung untuk persoalan pembukuan yang telah menyusahkan peneliti sejak hari-hari pertama Standard Model.

Dalam pendekatan kalkulasi baku, interaksi boson Higgs dengan partikel-partikel lain cenderung mengangkat massanya ke arah skala tertinggi yang ada dalam persamaan, turut menaikkan massa partikel lain bersamanya. “Mekanika quantum coba membuat setiap orang jadi demokratis,” jelas fisikawan teoritis Joe Lykken, wakil direktur Fermilab dan rekan Bardeen. “Partikel-partikel akan saling mengimbangkan lewat efek mekanika quantum.”

Kecenderungan demokratis ini takkan jadi soal seandainya partikel-partikel Standard Model adalah akhir cerita. Sedangkan fisikawan menduga, jauh di luar Standard Model, pada skala kurang-lebih satu miliar miliar kali lebih berat yang dikenal sebagai “massa Planck”, terdapat raksasa-raksasa tak dikenal yang terkait dengan gravitasi. Kelas-kelas berat ini diduga akan menggemukkan boson Higgs—sebuah proses yang akan menarik massa setiap partikel unsur lain naik ke skala Planck. Ini belum terjadi; justru, sebuah hirarki tak alami tampaknya memisahkan partikel-partikel Standar Model kelas ringan dan massa Planck.

Dengan pendekatan kesimetrian skala miliknya, Bardeen mengkalkulasi massa Standard Model dengan cara baru yang tidak melibatkan kelengketan mereka ke skala tertinggi. Dari perspektifnya, Higgs kelas ringan terasa alami sempurna. Tapi tetap saja, tidak jelas bagaimana dia dapat memasukkan efek-efek gravitasi skala Planck ke dalam kalkulasinya.

Sementara itu, supersimetri memakai teknik matematika standar, dan mengurusi hirarki antara Standard Model dan skala Planck secara langsung. Supersimetri mengusulkan eksistensi partikel kembaran yang luput untuk setiap partikel di alam. Jika untuk setiap partikel yang ditemuinya boson Higgs (semisal elektron) juga menemui kembaran partikel bersangkutan dengan massa sedikit lebih ringan (“selektron” hipotetis), maka efek gabungan akan nyaris menetralkan, mencegah massa Higgs menggembung ke arah skala tertinggi. Seperti padanan fisikal x + (-x) ≈ 0, supersimetri akan melindungi massa boson Higgs yang kecil tapi non-nol. Teori ini seolah merupakan komponen sempurna yang hilang dalam penjelasan massa Standard Model—saking sempurnanya, sebagian teoris menyebut alam semesta tidak masuk akal tanpanya.

Tapi berdekade-dekade setelah diprediksi, tak satupun partikel supersimetris ditemukan. “Itulah yang dicari Large Hadron Collider, tapi ia belum melihat apa-apa,” kata Savas Dimopoulos, profesor fisika partikel di Stanford University yang membantu mengembangkan hipotesis supersimetri pada awal 1980-an. “Entah bagaimana, Higgs tidak terlindungi.”

LHC akan terus mencari versi-versi rumit supersimetri saat beroperasi lagi tahun depan, tapi banyak fisikawan semakin yakin teori ini telah gagal. Baru bulan lalu, di International Conference of High-Energy Physics di Valencia, Spanyol, para peneliti yang menganalisa himpunan data terbesar dari LHC tidak menemukan satupun bukti partikel supersimetris. (Data itu juga menentang kuat sebuah usulan alternatif yang disebut “tekniwarna”.)

Implikasinya besar. Tanpa supersimetri, massa boson Higgs seolah dikurangi bukan oleh efek citra cerminan tapi oleh penetralan acak dan improbabel antara bilangan-bilangan tak berkaitan—pada hakikatnya massa awal Higgs mengimbangi sumbangan besar untuk massanya dari gluon, quark, status-status gravitasi, dan seterusnya. Dan jika alam semesta bersifat improbabel, maka, banyak fisikawan berargumen, ia pasti salah satu dari banyak alam semesta: cuma gelembung langka di “multiverse” berbuih dan tak berujung-pangkal. Kita mengamati gelembung yang satu ini, lanjut penalaran ini, bukan karena atributnya masuk akal, tapi karena boson Higgsnya yang ganjil menunjang pembentukan atom dan, karenanya, kemunculan kehidupan. Gelembung-gelembung lebih tipikal, dengan boson Higgs mereka yang berukuran Planck, tidak dapat dihuni.

“Ini bukan penjelasan memuaskan, tapi ada banyak di luar sana,” kata Dine.

Sebagai kesimpulan logis dari asumsi-asumsi yang merajalela, hipotesis multiverse mengalami lonjakan popularitas yang menimbulkan rasa iri di tahun-tahun belakangan. Tapi argumen ini seperti pengelakan bagi banyak pihak, atau minimal kekecewaan besar. Alam semesta yang dibentuk oleh penetralan untung-untungan luput dari pemahaman, dan eksistensi alam-alam semesta asing yang tak terjangkau mustahil untuk dibuktikan. “Dan teramat tidak memuaskan jika hipotesis multiverse dipakai untuk menjelaskan hal-hal yang tidak kita pahami saja,” kata Graham Ross, profesor emeritus fisika partikel di Universitas Oxford.

Kejengahan multiverse tidak bisa berlangsung selamanya.

“Orang-orang terpaksa melakukan penyesuaian,” kata Manfred Lindner, profesor fisika dan direktur Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg yang mengarang beberapa makalah baru mengenai pendekatan kesimetrian skala bersama pengarang lainnya. Persamaan dasar fisika partikel butuh suatu tambahan untuk mengekang boson Higgs, dan supersimetri mungkin bukan orangnya. Para teoris semisal Lindner sudah mulai bertanya, “Adakah kesimetrian lain yang bisa melakukan tugas ini, tanpa menghasilkan banyak partikel yang tidak kita lihat?”

Bergumul Dengan Hantu

Meneruskan peninggalan Bardeen, para peneliti semisal Salvio, Strumia, dan Lindner kini menduga kesimetrian skala adalah harapan terbaik untuk menjelaskan massa kecil boson Higgs. “Bagi saya, mengerjakan komputasi sungguhan lebih menarik daripada mengerjakan filsafat multiverse,” kata Strumia, “sekalipun multiverse ini benar.”

Agar berfungsi, teori kesimetrian skala harus menerangkan massa kecil Standard Model maupun massa raksasa terkait gravitasi. Dalam pendekatan kalkulasi standar, kedua skala disisipkan dengan tangan di awal, dan ketika terhubung di dalam persamaan, mereka mencoba untuk saling mengimbangkan. Tapi dalam pendekatan baru, kedua skala harus timbul secara dinamis—dan terpisah—dimulai dari nihil.

“Pernyataan bahwa gravitasi mungkin tidak mempengaruhi massa Higgs sungguh sangat revolusioner,” kata Dimopoulos.

Sebuah teori bernama “agravitasi” (singkatan dari “adimensional gravity”) yang dikembangkan oleh Salvio dan Strumia boleh jadi merupakan perwujudan gagasan kesimetrian skala paling konkret sejauh ini. Agravitasi merangkai hukum fisika pada semua skala ke dalam satu gambaran padu di mana massa Higgs dan massa Planck sama-sama timbul lewat efek dinamis terpisah. Sebagaimana diurai pada bulan Juni dalam Journal of High-Energy Physics, agravitasi juga menyodorkan penjelasan kenapa alam semesta berinflasi menuju eksistensi. Menurut teori ini, kerusakan kesimetrian skala telah menyebabkan perluasan ukuran ruang-waktu secara eksponensial pada masa Big Bang.

Namun, teori ini mengandung cacat serius bagi mayoritas pakar: ia mensyaratkan eksistensi entitas aneh mirip partikel yang dijuluki “hantu”. Para hantu memiliki energi negatif atau probabilitas negatif untuk eksis—yang dua-duanya mendatangkan kerusakan pada persamaan-persamaan dunia quantum.

“Probabilitas negatif menyingkirkan penafsiran probabilistik mekanika quantum. Jadi itu opsi buruk,” kata Kelly Stelle, fisikawan partikel teoritis di Imperial College, London, yang pertama kali menunjukkan di tahun 1977 bahwa teori-teori gravitasi tertentu melahirkan hantu. Teori-teori ini hanya dapat bekerja, kata Stelle, jika para hantu entah bagaimana bercerai dari partikel-partikel lain dan menyendiri. “Banyak upaya telah dilakukan sepanjang garis ini; ini bukan perkara yang paten, cuma agak teknis dan tidak terlalu menyenangkan,” tuturnya.

Strumia dan Salvio berpikir, berdasarkan semua manfaat agravitasi, para hantu layak mendapat kesempatan kedua. “Ketika partikel-partikel antimateri pertama kali dipertimbangkan dalam persamaan, mereka seperti energi negatif,” kata Strumia. “Mereka seperti omong-kosong. Mungkin hantu-hantu ini terasa seperti omong-kosong, tapi kita bisa temukan suatu penafsiran masuk akal.”

Marcela Carena, ilmuwan senior di Fermi National Accelerator Laboratory di Batavia, Illinois. (Courtesy Marcela Carena)
Marcela Carena, ilmuwan senior di Fermi National Accelerator Laboratory di Batavia, Illinois. (Courtesy Marcela Carena)

Sementara itu, kelompok-kelompok lain sedang membuat teori kesimetrian skala mereka sendiri. Lindner dan kolega mengusulkan sebuah model berisi “sektor tersembunyi” baru partikel-partikel, sedangkan Bardeen, Lykken, Marcela Carena dan Martin Bauer dari Fermilan, dan Wolfgang Altmannshofer dari Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, Kanada, berargumen dalam makalah 14 Agustus bahwa skala-skala Standard Model dan gravitasi seolah-olah dipisahkan oleh transisi fase. Para peneliti ini mengidentifikasi sebuah skala massa di mana boson Higgs berhenti berinteraksi dengan partikel-partikel lain, menyebabkan massa mereka jatuh ke [angka] nol. Pada titik tanpa skala inilah terjadi saling-silang mirip perubahan fase. Dan sebagaimana bedanya perilaku air dengan es, perangkat hukum internal berlainan beroperasi di atas dan di bawah titik kritis ini.

Untuk menghindari ketiadaan skala, model-model baru mensyaratkan teknik kalkulasi yang diragukan secara matematis oleh beberapa pakar, dan secara umum tak banyak pakar yang mau mengungkapkan pendapat mereka tentang pendekatan ini. Ini terlalu beda, terlalu baru. Tapi agravitasi dan model kesimetrian skala lainnya memprediksi eksistensi partikel-partikel baru di luar Standard Model, sehingga benturan-benturan mendatang di LHC versi upgrade akan membantu menguji gagasan-gagasan ini.

Sementara itu, ada rasa harap yang menyala kembali.

“Jangan-jangan matematika kita keliru,” kata Dine. “Jika alternatifnya adalah lanskap multiverse, itu langkah drastis sekali; jadi, tentu saja—mari kita lihat apa lagi yang ada.”

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s