Oleh: Natalie Wolchover
27 Mei 2015
Sumber: www.quantamagazine.org

Salah satu misteri terbesar dalam fisika dapat dipecahkan oleh medan axion mirip kasur yang merembesi ruang dan waktu.

Skip Sterling untuk Quanta Magazine
Skip Sterling untuk Quanta Magazine

Tiga fisikawan yang berkolaborasi di San Fransisco Bay Area selama setahun ini telah menemukan solusi baru atas misteri yang mengepung bidang mereka lebih dari 30 tahun. Teka-teki besar ini, yang mendorong banyak eksperimen di pembentur-pembentur partikel yang kian bertenaga dan melahirkan hipotesis multiverse kontroversial, setara dengan pertanyaan anak cerdas kelas empat SD: Bagaimana bisa sebuah magnet mengangkat penjepit kertas dari tarikan gravitasi keseluruhan planet?

Walau berkuasa atas gerakan bintang dan galaksi, gaya gravitasi ratusan juta triliun triliun kali lebih lemah dari magnetisme dan gaya mikroskopik alam lainnya. Disparitas ini muncul dalam persamaan-persamaan fisika sebagai selisih janggal antara massa boson Higgs, partikel temuan tahun 2012 yang mengendalikan massa dan gaya terkait partikel-partikel lain, dan kisaran massa status-status gravitasi yang masih harus ditemukan.

Dengan tiadanya bukti penunjang dari Large Hadron Collider (LHC) bagi teori-teori terdahulu yang diusulkan untuk menjelaskan hirarki massa gila-gilaan ini—termasuk “supersimetri” yang anggun menggoda—banyak fisikawan jadi ragu terhadap logika hukum alam. Mereka kian khawatir alam semesta kita mungkin memang permutasi acak agak aneh di antara tak terbilang alam-alam semesta potensial lain—sebuah jalan buntu ampuh dalam pencarian teori alam yang koheren.

Bulan ini LHC meluncurkan operasi kedua yang sangat dinanti-nanti, dengan energi dua kali lipat daripada operasi kemarin, menyambung perburuan partikel atau fenomena baru yang akan memecahkan persoalan hirarki. Tapi kemungkinan sangat nyata bahwa tak ada partikel baru di depan sana telah membuat fisikawan teoritis berhadapan dengan “skenario mimpi buruk”. Ini juga mendorong mereka untuk berpikir.

“Di saat-saat gentinglah gagasan baru berkembang,” kata Gian Giudice, fisikawan partikel teoritis di laboratorium CERN dekat Jenewa, yang menjadi rumah LHC.

Proposal baru ini menawarkan sebuah jalan maju potensial. Mereka bertiga “sangat bergairah,” sebut David Kaplan, 46 tahun, fisikawan partikel teoritis dari Johns Hopkins University di Baltimore, Maryland, yang mengembangkan model ini pada saat cuti panjang di West Coast bersama Peter Graham, 35 tahun, dari Universitas Stanford, dan Surjeet Rajendran, 32 tahun, dari Universitas California, Berkeley.

Solusi mereka menelusuri hirarki antara gravitasi dan gaya-gaya fundamental lain sampai ke kelahiran eksplosif kosmos, ketika, menurut model milik mereka, dua variabel yang berevolusi bersamaan tiba-tiba mogok. Pada jenak tersebut, sebuah partikel hipotetis bernama “axion” mengunci boson Higgs ke [harga] massanya yang sekarang, jauh di bawah skala gravitasi. Axion muncul dalam persamaan-persamaan teoritis sejak 1977 dan dianggap sangat mungkin eksis. Tapi hingga belakangan tak seorangpun mencatat bahwa axion boleh jadi adalah apa yang mereka juluki “relaxion”, memecahkan persoalan hirarki dengan “merelaksasi” harga massa Higgs.

David Kaplan dari Johns Hopkins University. (Will Kirk)
David Kaplan dari Johns Hopkins University. (Will Kirk)

“Itu ide amat sangat cerdik,” kata Raman Sundrum, fisikawan partikel teoritis di Universitas Maryland di College Park yang tidak terlibat dalam pengembangannya. “Barangkali suatu versinya merupakan cara dunia bekerja.”

Pada pekan-pekan sejak tayang daring, makalah milik trio ini membuka “taman bermain baru” yang disesaki para peneliti yang berhasrat merevisi kelemahannya dan membawa premis dasarnya ke arah berbeda, kata Nathaniel Craig, fisikawan teoritis di Universitas California, Santa Barbara.

“Ini terlihat seperti kemungkinan sederhana,” kata Rajendran. “Kita tidak sedang berdiri di atas kepala untuk melakukan sesuatu yang gila di sini. Itu cuma ingin bekerja.”

Namun, sebagaimana dicatat oleh beberapa pakar, dalam bentuknya yang sekarang ide ini punya kekurangan yang perlu dipertimbangkan secara cermat. Dan jikapun ia bertahan dari pemeriksaan ini, perlu waktu lebih dari satu dekade untuk diuji secara eksperimen. Untuk sementara, kata para ahli, relaxion sedang menggoyang pandangan lama dan mendorong beberapa fisikawan untuk melihat persoalan hirarki dalam pemahaman baru. Hikmahnya, kata Michael Dine, fisikawan di Universitas California, Santa Cruz, dan veteran persoalan hirarki, adalah “jangan menyerah dan beranggapan bahwa kita takkan mampu memecahkannya.”

Keseimbangan Tak Alami

Dengan segala sukaria seputar penemuan boson Higgs pada tahun 2012, yang melengkapi “Standard Model” fisika partikel dan mendatangkan Hadiah Nobel fisika 2013 bagi Peter Higgs dan François Englert, itu hadir sebagai kejutan kecil; eksistensi dan massa terukur 125 giga-elektron volt (GeV) partikel tersebut sejalan dengan bukti tak langsung berusia tahunan. Apa yang tidak ditemukan di LHC-lah yang menyisakan kebingungan di antara para ahli. Tidak muncul sesuatu yang dapat merukunkan massa Higgs dengan prediksi skala massa terkait gravitasi, yang berada di luar jangkauan eksperimen pada [angka] 10.000.000.000.000.000.000 GeV.

Skala massa-energi terkait gravitasi (kanan) berada pada angka 17 orde magnitudo di luar skala partikel-partikel dikenal (kiri), di mana 1 GeV = 1.000 MeV. Kecenderungan massa-massa partikel untuk seimbang dalam kalkulasi membuat hirarki ini membingungkan. (Nelson Hsu untuk Quanta Magazine)
Skala massa-energi terkait gravitasi (kanan) berada pada angka 17 orde magnitudo di luar skala partikel-partikel dikenal (kiri), di mana 1 GeV = 1.000 MeV. Kecenderungan massa-massa partikel untuk seimbang dalam kalkulasi membuat hirarki ini membingungkan. (Nelson Hsu untuk Quanta Magazine)

“Masalahnya, dalam mekanika quantum, segala sesuatu mempengaruhi segala sesuatu yang lain,” jelas Giudice. Status-status gravitasi super berat seharusnya bercampur secara mekanis quantum dengan boson Higgs, sehingga menyumbang faktor-faktor besar pada harga massanya. Tapi entah bagaimana boson Higgs berakhir sebagai kelas ringan. Seolah-olah semua faktor raksasa yang mempengaruhi massanya—sebagian positif, sebagian negatif, tapi semuanya berpanjang lusinan digit—telah saling menetralkan secara ajaib, menyisakan harga amat kecil. Penetralan halus faktor-faktor ini sulit dipercaya, terasa “mencurigakan”, kata Giudice. “Anda berpikir, well, pasti ada sesuatu yang lain di baliknya.”

Para ahli kerap membandingkan massa Higgs setelan halus ini dengan pensil yang berdiri di atas ujung arangnya, didorong ke berbagai arah oleh gaya-gaya kuat semisal arus udara dan getaran meja hingga mencetak keseimbangan sempurna. “Ini bukan status kemustahilan; ini status kemungkinan amat kecil,” kata Savas Dimopoulos dari Stanford. Jika Anda menjumpai pensil demikian, ujarnya, “pertama-tama Anda akan gerakkan tangan Anda ke atas kalau-kalau ada benang yang menahannya dari langit-langit. [Selanjutnya] Anda akan perhatikan ujung arangnya kalau-kalau ada permen karet.”

Fisikawan juga telah mencari penjelasan alami untuk persoalan hirarki sejak 1970-an, yakin pencarian ini akan menuntun mereka menuju teori alam lebih lengkap, mungkin bahkan memunculkan partikel-partikel di balik “dark matter”, zat tak kasat mata yang merembesi galaksi-galaksi. “Kealamian betul-betul menjadi motif utama riset itu,” kata Giudice.

Sejak 1980-an, proposal paling populer adalah supersimetri. Ia memecahkan persoalan hirarki dengan mempostulatkan kembaran (yang masih harus ditemukan) untuk setiap partikel unsur: untuk elektron ada “selektron” hipotetis, untuk setiap quark ada “squark”, dan seterusnya. Kembaran menyumbang suku sebaliknya pada massa boson Higgs, menjadikannya kebal terhadap efek-efek partikel gravitasi super berat (sebab dihapuskan oleh efek-efek kembaran mereka).

Surjeet Rajendran dari Universitas California, Berkeley. (Sarah  Wittmer)
Surjeet Rajendran dari Universitas California, Berkeley. (Sarah Wittmer)

Tapi tak satupun bukti supersimetri atau ide-ide pesaing—misalnya “tekniwarna” dan “dimensi tambahan tergulung”—muncul dalam operasi pertama LHC dari 2010 s/d 2013. Ketika pembentur tersebut tutup untuk upgrade di awal 2013 tanpa menemukan satupun “spartikel” atau tanda-tanda lain fisika non-Standard Model, banyak pakar merasa tak bisa lagi menghindar merenungkan alternatif kejam. Bagaimana jika massa Higgs, dan secara tak langsung hukum alam, adalah tidak alami? Kalkulasi menunjukkan, andai massa boson Higgs sedikit saja lebih berat, sementara semua yang lain tetap sama, maka proton tak bisa lagi berhimpun menjadi atom, dan takkan ada struktur kompleks—tak ada bintang atau makhluk hidup. Jadi, bagaimana jika alam semesta memang tersetel halus secara kebetulan seperti pensil yang diseimbangkan di atas ujungnya, terpilih sebagai alamat kosmik kita dari sederet alam semesta gelembung di dalam laut “multiverse” yang membusa abadi hanya karena kehidupan memerlukan kebetulan kasar tersebut untuk eksis?

Hipotesis multiverse ini, yang membayangi diskusi persoalan hirarki sejak akhir 1990-an, dipandang sebagai prospek suram oleh mayoritas fisikawan. “Entah harus diapakan,” kata Craig. “Kita tidak tahu apa aturannya.” Gelembung-gelembung lain di multiverse, jika mereka eksis, berada di luar batas komunikasi cahaya, selamanya membatasi teori-teori multiverse pada apa yang bisa kita amati dari dalam gelembung lengang kita. Tanpa cara memastikan lokasi titik data (data point) kita di spektrum kemungkinan yang luas di multiverse, jadi sulit atau mustahil untuk mengkonstruksi argumen berbasis multiverse kenapa alam semesta kita demikian adanya. “Saya tidak tahu pada titik mana kita akan yakin,” kata Dine. “Bagaimana Anda akan membereskannya? Bagaimana Anda akan tahu?”

Higgs dan Relaxion

Kaplan mengunjungi Bay Area musim panas lalu untuk berkolaborasi dengan Graham dan Rajendran, yang dia kenal karena mereka bertiga pernah bekerjasama pada berbagai kesempatan di bawah Dimopoulos, salah seorang pengembang utama supersimetri. Selama satu tahun belakangan trio ini membagi waktu antara Berkeley dan Stanford—dan beragam kedai kopi, tempat makan siang, dan toko es krim yang berbatasan dengan kedua kampus—bertukar “embrio bit-bit ide”, kata Graham, dan lambat-laun mengembangkan asal cerita baru untuk hukum fisika partikel.

Terilhami oleh upaya Larry Abbot tahun 1984 untuk mengatasi sebuah persoalan kealamian lain dalam fisika, mereka berusaha merombak massa Higgs sebagai parameter yang berevolusi, parameter yang dapat “relaks” secara dinamis ke harga kecilnya di masa kelahiran kosmos ketimbang berawal sebagai konstanta improbabel tetap. “Walau menjumpai jalan buntu selama enam bulan serta menghasilkan model-model konyol dan hal-hal ganjil nan rumit, akhirnya kami mendarat pada gambaran sederhana ini,” kata Kaplan.

Dalam model milik mereka, massa Higgs bergantung pada harga numeris sebuah medan hipotetis yang merembesi ruang dan waktu: medan axion. Untuk menggambarkannya, “kita bayangkan keseluruhan ruang sebagai kasur 3D ini,” kata Dimopoulos. Harga di setiap titik di medan sesuai dengan seberapa mampat pegas-pegas kasur di sana. Sudah lama diakui bahwa eksistensi kasur ini—dan vibrasinya dalam bentuk axion—dapat memecahkan dua misteri mendalam: Pertama, medan axion akan menjelaskan kenapa mayoritas interaksi antara proton dan neutron berjalan ke depan dan ke belakang, memecahkan apa yang dikenal sebagai persoalan “CP kuat”. Dan kedua, axion boleh jadi menyusun dark matter. Pemecahan persoalan hirarki akan menjadi prestasi keren ketiga.

Kisah model baru ini dimulai ketika kosmos berupa bintik yang tertanami energi. Kasur axion sangat mampat, yang mengakibatkan massa Higgs sangat besar. Seiring alam semesta mengembang, pegas-pegas mengalami relaksasi, seolah energi mereka menyebar lewat pegas-pegas ruang—ruang yang baru tercipta. Seiring energi berdisipasi, demikian pula massa Higgs. Ketika massanya jatuh ke harga sekarang, itu membuat sebuah variabel terkait terjun melewati nol, menghidupkan medan Higgs, entitas mirip sirop yang memberi massa kepada partikel-partikel yang melintasinya, semisal elektron dan quark. Quark-quark masif, pada gilirannya, berinteraksi dengan medan axion, menciptakan bubungan di bukit metaforis yang telah dituruni oleh energinya. Medan axion terjebak [tidak bisa lewat—penj.]. Dan begitu pula massa Higgs.

Peter Graham dari Universitas Stanford. (Courtesy Peter Graham)
Peter Graham dari Universitas Stanford. (Courtesy Peter Graham)

Dalam perputusan radikal—menurut istilah Sundrum—dari model-model yang lalu, model baru ini memperlihatkan bagaimana hirarki massa era modern mungkin diukir oleh kelahiran kosmos. “Fakta bahwa mereka bertiga membubuhkan persamaan pada [model] ini secara realistis betul-betul luar biasa,” katanya.

Dimopoulos mengomentari minimalisme mencolok dari model ini, yang banyak mempergunakan ide-ide sudah mapan. “Orang-orang seperti saya, yang berinvestasi sedikit pada pendekatan-pendekatan lain ini, tercengang bahagia bahwa Anda tidak harus mencari jauh-jauh,” katanya. “Di halaman belakang Standard Model, solusinya ada di situ. Perlu anak-anak muda amat cerdas untuk menyadarinya.”

“Ini mengangkat harga saham axion,” imbuhnya. Baru-baru ini, Axion Dark Matter eXperiment di Universitas Washington, Seattle, mulai mencari konversi langka axion dark matter menjadi cahaya di dalam medan-medan magnet kuat, kata Dimopoulos, “Itu lebih sulit lagi untuk ditemukan.”

Namun, seperti banyak pakar, Nima Arkani-Hamed dari Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, mencatat bahwa proposal ini masih bayi. Meski “pastinya cerdik”, sebutnya, penerapannya saat ini tidak meyakinkan. Sebagai contoh, agar medan axion terjebak di bubungan yang dihasilkan oleh quark, alih-alih menggelinding melewatinya, inflasi kosmik harus jauh lebih pelan daripada yang diasumsikan banyak kosmolog. “Anda [harus] menambahkan 10 miliar tahun inflasi,” katanya. “Anda tentu bertanya-tanya kenapa seluruh kosmologi merangkai dirinya hanya untuk mewujudkan ini.”

Dan jikapun axion ditemukan, itu saja tidak akan membuktikan bahwa “relaxion”-lah penyebabnya—bahwa ia merelaksasi harga massa Higgs. Sementara masa tinggal Kaplan di Bay Area segera berakhir, dia, Graham, dan Rajendran mulai mengembangkan ide-ide bagaimana menguji aspek tersebut. Boleh jadi kelak mereka dapat mengosilasi medan axion, untuk mencaritahu apakah ini mempengaruhi massa partikel-partikel unsur terdekat, sebagai massa Higgs. “Anda akan lihat massa elektron meliuk-liuk,” kata Graham.

Pengujian proposal ini takkan terwujud untuk bertahun-tahun. (Model ini tidak memprediksi fenomena baru yang akan dideteksi oleh LHC.) Dan realistisnya, kata beberapa pakar, ia menghadapi rintangan panjang. Selama bertahun-tahun begitu banyak proposal cerdik telah gagal, sehingga banyak fisikawan merasa skeptis. Tapi tetap, model baru dan menggugah ini memberi dosis optimisme tepat waktu.

“Kita pikir semuanya sudah dipikirkan dan tak ada hal baru di kolong langit,” kata Sundrum. “[Proposal] ini menunjukkan, manusia sangat pintar dan masih ada ruang untuk terobosan baru.”

Catatan Editor: David Kaplan membawakan serial video In Theory milik Quanta Magazine.

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