Tidak Ada Partikel Baru, Apa Maknanya Bagi Fisika?

Oleh: Natalie Wolchover
9 Agustus 2016
Sumber: Quanta Magazine

Fisikawan sedang menghadapi “skenario mimpi buruk”. Apa implikasi dari ketiadaan partikel baru terkait cara kerja alam?

(Olena Shmahalo/Quanta Magazine)

Fisikawan di Large Hadron Collider (LHC) Eropa telah menggali atribut-atribut alam pada [besaran] energi lebih tinggi dibanding sebelumnya, dan mereka menemukan sesuatu yang mendalam: tak ada yang baru.

Barangkali hal ini tidak diprediksi oleh siapapun 30 tahun lalu ketika proyek tersebut pertama kali disusun.

“Jendulan difoton” jahat yang muncul dalam plot-plot data Desember lalu telah menghilang, mengindikasikan bahwa itu hanyalah fluktuasi statistik sepintas ketimbang partikel fundamental baru yang revolusioner. Dan malah, sejauh ini benturan-benturan tidak memunculkan partikel sama sekali selain yang terdaftar dalam “Standard Model” fisika partikel yang sudah lama berkuasa tapi tidak lengkap. Dalam puing benturan, fisikawan belum menemukan partikel-partikel penyusun dark matter, belum menemukan saudara kandung atau saudara sepupu boson Higgs, belum menemukan tanda dimensi tambahan, belum menemukan leptoquark—dan terutama belum menemukan satupun partikel supersimetri yang dicari mati-matian yang akan melengkapi persamaan dan memenuhi “kealamian”, sebuah prinsip mendalam tentang bagaimana hukum alam semestinya bekerja.

“Luar biasa, kita sudah pikirkan hal-hal ini selama 30 tahun dan kita belum membuat satupun prediksi tepat,” kata Nima Arkani-Hamed, profesor fisika di Institute for Advanced Study di Princeton, N.J.

Kabar ini mencuat di International Conference on High Energy Physics di Chicago beberapa hari belakangan dalam presentasi oleh eksperimen ATLAS dan CMS, yang detektor-detektor mirip katedralnya bertengger pada arah jam 6 dan 12 di atas cincin LHC sepanjang 17 mil. Kedua tim, masing-masing beranggotakan lebih dari 3.000 orang, telah bekerja gila-gilaan selama tiga bulan terakhir untuk menganalisa data berlimpah dari sebuah mesin yang akhirnya beroperasi pada kecepatan penuh usai di-upgrade hampir dua kali lipat dari energi operasi terdahulu. Kini ia membenturkan proton-proton dengan energi 13 triliun elektron volt (TeV)—lebih dari 13.000 kali massa individual proton—menyediakan cukup bahan mentah untuk melahirkan partikel-partikel unsur raksasa, sekiranya eksis.

(Lucy Reading-Ikkanda untuk Quanta Magazine)

Sejauh ini, tak muncul satupun partikel. Yang paling memilukan banyak pihak adalah hilangnya jendulan difoton, kelebihan jumlah pasangan foton yang timbul dalam gugus data 13 TeV tahun lalu, dan yang sumbernya telah menjadi bahan spekulasi 500-an makalah teoris. Rumor tentang raibnya jendulan dalam data tahun ini mulai bocor Juni kemarin, memicu “puyeng difoton” di seluruh komunitas.

“Harusnya itu menunjuk ke arah masa depan yang asyik untuk eksperimen partikel,” tutur Raman Sundrum, fisikawan teoritis di Universitas Maryland. “Ketiadaannya mengembalikan kita ke tempat semula.”

Tidak adanya fisika baru kian memperdalam krisis yang bermula pada saat operasi pertama LHC tahun 2012, ketika menjadi jelas bahwa benturan 8 TeV-nya tidak akan menghasilkan fisika baru di luar Standard Model. (Boson Higgs, ditemukan tahun itu, merupakan keping puzzle terakhir Standard Model, alih-alih ekstensinya.) Sebuah partikel penolong masih dapat muncul tahun ini atau tahun depan, atau, seiring bertambahnya angka-angka statistik pada skala waktu lebih panjang, kejutan halus dalam perilaku partikel-partikel familiar dapat mengisyaratkan fisika baru. Tapi para teoris semakin memperkuat diri mereka terhadap “skenario mimpu buruk”, di mana LHC tidak menawarkan jalan sama sekali menuju teori alam yang lebih lengkap.

Sebagian teoris beragumen sudah saatnya seluruh bidang ini mulai memperhitungkan pesan dari hasil nihil ini. Ketiadaan partikel baru hampir pasti menandakan bahwa hukum fisika tidak sealami yang diasumsikan oleh fisikawan sejak lama. “Kealamian begitu bermotivasi,” kata Sundrum, “sampai-sampai ketidakhadirannya menjadi penemuan besar.”

Kepingan yang Hilang

Alasan utama kenapa fisikawan merasa yakin Standard Model bukanlah keseluruhan cerita adalah bahwa pasak penjaganya, boson Higgs, mempunyai massa sangat tak alami. Dalam persamaan-persamaan Standard Model, Higgs digandengkan dengan banyak partikel lain. Penggandengan ini menganugerahkan massa kepada partikel-partikel tersebut, yang pada gilirannya memungkinkan mereka mendorong harga massa Higgs ke sana kemari, seperti para peserta tarik tambang. Sebagian peserta sangat kuat—partikel-partikel hipotetis yang dikaitkan dengan gravitasi dapat menyumbang (atau mengambil) sebanyaknya 10 juta miliar TeV kepada massa Higgs—tapi entah bagaimana massanya berakhir pada harga 0,125 TeV, seolah-olah para peserta berkesudahan dengan hasil nyaris seri sempurna. Ini terasa absurd—kecuali kalau ada suatu penjelasan layak kenapa tim-tim yang bersaing begitu seimbang.

Maria Spiropulu dari California Institute of Technology di ruang kendali CMS milik LHC, mengesampingkan pembicaraan skenario mimpi buruk, menyebut, “Kaum eksperimentalis tidak punya agama.”
(Courtesy Maria Spiropulu)

Supersimetri, sebagaimana disadari para teoris di awal 1980-an, melakukan trik. Ia menyatakan bahwa untuk setiap “fermion” yang eksis di alam—partikel materi, semisal elektron atau quark, yang menambah massa Higgs—terdapat “boson” (partikel pengangkut gaya) supersimetris yang mengurangi massa Higgs. Dengan begini, setiap peserta tarik tambang mempunyai saingan berkekuatan setara, dan Higgs distabilkan secara alami. Para teoris merancang proposal alternatif bagaimana kealamian dapat dicapai, tapi supersimetri mempunyai argumen pendukung tambahan: itu membuat kekuatan tiga gaya quantum berkonvergensi pada [besaran] energi tinggi, mengindikasikan mereka bersatu di permulaan alam semesta. Dan itu menyediakan partikel lembam stabil yang massanya persis tepat untuk jadi dark matter.

“Kami sudah memperhitungkan itu semua,” kata Maria Spiropulu, fisikawan partikel di California Institute of Technology dan anggota CMS. “Jika Anda tanya orang-orang seangkatan saya, kami hampir diajari bahwa supersimetri ada sekalipun belum kami temukan. Kami percaya itu.”

Karenanya terjadi kekagetan ketika partner supersimetris partikel-partikel dikenal tidak menampakkan diri—pertama di Large Electron-Positron Collider pada 1990-an, lalu di Tevatron pada 1990-an dan awal 2000-an, dan kini di LHC. Seiring pembentur-pembentur ini menyelidiki energi semakin tinggi, melebar pula jurang di antara partikel dikenal dan superpartner hipotetisnya, yang harus jauh lebih berat demi menghindari deteksi. Pada akhirnya, supersimetri menjadi begitu “rusak” sehingga efek partikel dan superpartnernya terhadap massa tidak lagi menetralkan, dan supersimetri gagal sebagai solusi untuk persoalan kealamian. Sebagian pakar berargumen kita sudah melewati titik itu. Yang lain, seraya memberi kebebasan lebih luas dalam bagaimana faktor-faktor tertentu ditetapkan, menyebut itu sedang terjadi, dengan dikecualikannya stop quark—superpartner hipotetis top quark 0,173 TeV—hingga massa 1 TeV oleh ATLAS dan CMS. Ini ketidakseimbangan hampir enam kali lipat antara top dan stop dalam tarik tambang Higgs. Jikapun eksis stop lebih berat dari 1 TeV, akan terlalu sulit bagi Higgs untuk memecahkan masalah yang menjadi alasan ditemukannya ia.

(Lucy Reading-Ikkanda untuk Quanta Magazine)

“Saya rasa 1 TeV adalah batas psikologis,” kata Albert de Roeck, ilmuwan riset senior di CERN, laboratorium yang menampung LHC, dan profesor di Universitas Antwerp, Belgia.

Sebagian akan bilang cukup sudah, tapi bagi yang lain masih ada celah untuk diandalkan. Di antara banyak ekstensi supersimetris Standard Model, terdapat versi-versi lebih kompleks di mana stop quark yang lebih berat dari 1 TeV bersekongkol dengan partikel-partikel supersimetris tambahan untuk mengimbangi top quark, mencocokkan massa Higgs. Teori ini mempunyai begitu banyak varian, atau “model” tersendiri, jadi hampir mustahil untuk ditolak sama sekali. Joe Incandela, fisikawan di Universitas California, Santa Barbara, yang mengumumkan penemuan boson Higgs atas nama kolaborasi CMS pada 2012, dan kini memimpin salah satu pencarian stop quark, berkata, “Bila Anda melihat sesuatu, Anda bisa membuat pernyataan mandiri, tanpa bergantung pada model, bahwa Anda melihat sesuatu. Tidak melihat apa-apa sedikit lebih rumit.”

Partikel dapat bersembunyi di sudut dan celah. Jika, contohnya, stop quark dan neutralino (kandidat supersimetri untuk dark matter) paling ringan kebetulan mempunyai massa hampir sama, mereka mungkin tetap tersembunyi sampai sekarang. Alasannya, ketika stop quark tercipta dalam benturan dan peluruhan, yang menghasilkan neutralino, tidak banyak energi akan terbebaskan untuk mengambil bentuk gerak. “Ketika stop meluruh, ada partikel dark matter bersemayam di situ,” jelas Kyle Cranmer dari Universitas New York, anggota ATLAS. “Anda tidak melihatnya. Jadi di kawasan-kawasan tersebut sulit sekali untuk dicari.” Bila demikian, stop quark bermassa serendah-rendahnya 0,6 TeV boleh jadi masih bersembunyi dalam data.

Para pelaku eksperimen akan berusaha menutup celah-celah ini pada tahun-tahun mendatang, atau menggali partikel-partikel tersembunyinya. Sementara itu, para teoris yang siap maju menghadapi fakta bahwa mereka tak punya papan penunjuk dari alam tentang arah mana yang harus ditempuh. “Situasi ini sangat carut-marut dan tak menentu,” kata Arkani-Hamed.

Asa Baru

Banyak teoris partikel kini mengakui kemungkinan yang sudah lama terbayang: massa boson Higgs memang tidak alami—harga kecilnya dihasilkan dari penetralan halus dan tak sengaja dalam lomba tarik tambang kosmik—dan kita mengamati atribut sejanggal itu karena hidup kita bergantung padanya. Dalam skenario ini, ada banyak sekali alam semesta, masing-masing dibentuk oleh kombinasi efek untung-untungan. Di antara semua alam semesta ini, hanya alam semesta berboson Higgs kelas ringan (secara kebetulan) yang akan memungkinkan terbentuknya atom-atom dan, dengan begitu, terlahirnya makhluk hidup. Tapi argumen “antropik” ini tidak disukai lantaran tidak dapat diuji.

Nima Arkani-Hamed sedang membahas fisika teoritis bersama kolega di Institute for Advanced Study di Princeton, N.J.
(Béatrice de Géa untuk Quanta Magazine)

Dalam dua tahun terakhir, beberapa fisikawan teoritis mulai merancang penjelasan alami baru untuk massa Higgs yang menghindari fatalisme penalaran antropik dan tidak mengandalkan kemunculan partikel baru di LHC. Pekan lalu di CERN, sementara kolega eksperimen mereka di tempat lain di gedung itu sibuk mengerkah data dalam pencarian partikel demikian, para teoris mengadakan lokakarya untuk membahas ide-ide yang baru lahir semisal hipotesis relaxion—yang menduga massa Higgs, alih-alih dibentuk oleh kesimetrian, dipahat secara dinamis oleh kelahiran kosmos—dan cara-cara potensial untuk menguji ide-ide ini. Nathaniel Craig dari Universitas California, Santa Barbara, yang mengerjakan ide bernama “kealamian netral”, berkata dalam panggilan telepon dari lokakarya CERN tersebut, “Kini setelah semua orang melewati puyeng difoton, kami kembali membahas persoalan ini, yang betul-betul ditujukan untuk menanggulangi ketiadaan fisika baru di LHC.”

Arkani-Hamed, yang baru-baru ini mengusulkan satu pendekatan baru bernama “Nnaturalness” bersama beberapa kolega, menyatakan, “Ada banyak teoris, termasuk saya, yang merasa kami sedang berada di zaman unik, di mana persoalan-persoalan di atas meja adalah persoalan besar dan struktural, bukan tetek-bengek partikel mendatang. Kami sangat beruntung hidup di masa seperti ini—walau mungkin takkan ada kemajuan besar dan terverifikasi seumur hidup kami.”

Sementara para teoris kembali ke papan tulis, 6.000 pelaku eksperimen CMS dan ATLAS sedang berasyik-masyuk dengan eksplorasi alam yang sebelumnya tak terpetakan. “Mimpi buruk, apa maksudnya?” ujar Spiropulu, mengacu pada kecemasan teoris terhadap skenario mimpi buruk. “Kami sedang menjelajahi alam. Mungkin kami tak punya waktu untuk memikirkan mimpi buruk seperti itu, karena kami dibanjiri data dan kami sangat bergairah.”

Masih ada asa bahwa fisika baru akan menampakkan diri. Tapi dalam pandangan Spiropulu, tidak menemukan apa-apa sama saja dengan penemuan—terlebih bila itu menggembar-gemborkan kematian ide-ide yang dihargai. “Kaum eksperimentalis tidak punya agama,” tukasnya.

Beberapa teoris setuju. Pembicaraan tentang kekecewaan adalah “pembicaraan gila”, kata Arkani-Hamed. “Ini memang alam! Kami sedang pelajari jawabannya! 6.000 orang ini sedang banting tulang, sementara Anda manyun seperti anak kecil karena tak dapat lolipop yang Anda minta?”

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