Model standar kosmologi memberi tahu kita bahwa hanya 4,9% dari Semesta terdiri dari materi biasa (yaitu yang dapat kita lihat), sedangkan sisanya terdiri dari 26,8% materi gelap dan 68,3% energi gelap. Seperti yang disarankan oleh namanya, kita tidak dapat melihatnya, jadi keberadaannya harus disimpulkan berdasarkan model teoretis, pengamatan struktur skala besar Alam Semesta, dan efek gravitasi yang tampak pada materi yang terlihat.
Sejak pertama kali diusulkan, tidak ada kekurangan saran seperti apa partikel Dark Matter. Belum lama ini, banyak ilmuwan mengusulkan bahwa Dark Matter terdiri dari Weimply-Interacting Massive Particles (WIMPs), yang sekitar 100 kali massa proton tetapi berinteraksi seperti neutrino. Namun, semua upaya untuk menemukan WIMP menggunakan eksperimen colliders telah kosong. Dengan demikian, para ilmuwan telah mengeksplorasi ide belakangan ini bahwa materi gelap dapat terdiri dari sesuatu yang sama sekali berbeda.
Model kosmologis saat ini cenderung mengasumsikan bahwa massa materi gelap adalah sekitar 100 Gev (Giga-electrovolts), yang sesuai dengan skala massa banyak partikel lain yang berinteraksi melalui gaya nuklir lemah. Keberadaan partikel seperti itu akan konsisten dengan ekstensi supersimetrik dari Model Standar fisika partikel. Lebih lanjut diyakini bahwa partikel seperti itu akan diproduksi di alam semesta awal yang panas, padat, dengan massa massa jenis yang tetap konsisten hingga hari ini.
Namun, upaya eksperimental yang berkelanjutan untuk mendeteksi WIMP telah gagal menghasilkan bukti konkret dari partikel-partikel ini. Ini termasuk mencari produk pemusnahan WIMP (yaitu sinar gamma, neutrino, dan sinar kosmik) di galaksi dan kluster terdekat, serta eksperimen pendeteksian langsung menggunakan supercolliders, seperti CERN Large Hadron Collider (LHC) di Swiss.
Karena itu, banyak tim peneliti telah mulai mempertimbangkan melihat melampaui paradigma WIMP untuk menemukan Dark Matter. Salah satu tim tersebut terdiri dari sekelompok kosmologis dari CERN dan CP3-Origins di Denmark, yang baru-baru ini merilis sebuah penelitian yang menunjukkan bahwa Dark Matter bisa menjadi jauh lebih berat dan jauh lebih sedikit berinteraksi daripada yang diperkirakan sebelumnya.
McCullen Sandora, salah satu anggota tim peneliti dari CP-3 Origins, mengatakan kepada Space Magazine melalui email:
“Kami belum dapat mengesampingkan skenario WIMP, tetapi dengan berlalunya tahun semakin menjadi curiga bahwa kami belum melihat apa pun. Selain itu, fisika skala lemah biasa menderita masalah hierarki. Itulah sebabnya mengapa semua partikel yang kita ketahui sangat ringan, terutama berkenaan dengan skala gravitasi alami, skala Planck, yaitu sekitar 1019 GeV. Jadi, jika dark matter lebih dekat dengan skala Planck, itu tidak akan terpengaruh oleh masalah hierarki, dan ini juga akan menjelaskan mengapa kita belum melihat tanda tangan yang terkait dengan WIMPs. "
Menggunakan model baru yang mereka sebut Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), tim telah menjelajahi batas atas massa materi gelap. Sementara WIMPs menempatkan massa materi gelap pada batas atas skala elektroweak, tim peneliti Denmark Marthias Garny, McCullen Sandora dan Martin S. Sloth mengusulkan sebuah partikel dengan massa di dekat skala alami lain seluruhnya - Skala Planck.
Pada Skala Planck, satu unit massa setara dengan 2,17645 × 10-8 kg - kira-kira satu mikrogram, atau 1019 kali lebih besar dari massa proton. Pada massa ini, setiap PIDM pada dasarnya seberat partikel sebelum menjadi lubang hitam mini. Tim juga berteori bahwa partikel-partikel PIDM ini berinteraksi dengan materi biasa hanya melalui gravitasi dan bahwa sejumlah besar dari mereka terbentuk di Alam Semesta yang sangat awal selama zaman "pemanasan ulang" - suatu periode yang terjadi pada akhir Era Inflasi, sekitar 10-36 t0 10-33 atau 10-32 detik setelah Big Bang.
Ini adalah zaman yang dinamakan demikian karena, selama Inflasi, suhu kosmik diyakini telah turun dengan faktor 100.000 atau lebih. Ketika inflasi berakhir, suhu kembali ke suhu sebelum inflasi (diperkirakan 1027 K). Pada titik ini, energi potensial besar dari bidang inflasi membusuk menjadi partikel Model Standar yang memenuhi Semesta, yang akan termasuk Dark Matter.
Secara alami, teori baru ini hadir dengan implikasinya bagi kosmolog. Misalnya, agar model ini berfungsi, suhu zaman pemanasan ulang harus lebih tinggi dari yang diperkirakan saat ini. Terlebih lagi, periode pemanasan ulang yang lebih panas juga akan menghasilkan penciptaan gelombang gravitasi yang lebih primordial, yang akan terlihat dalam Cosmic Microwave Background (CMB).
"Memiliki suhu yang begitu tinggi memberi tahu kita dua hal menarik tentang inflasi," kata Sandora. "Jika materi gelap ternyata menjadi PIDM: yang pertama adalah bahwa inflasi terjadi pada energi yang sangat tinggi, yang pada gilirannya berarti bahwa ia mampu menghasilkan tidak hanya fluktuasi suhu alam semesta awal, tetapi juga dalam ruangwaktu itu sendiri, dalam bentuk gelombang gravitasi. Kedua, ia memberi tahu kita bahwa energi inflasi harus membusuk menjadi materi dengan sangat cepat, karena jika terlalu lama alam semesta akan mendingin ke titik di mana ia tidak akan mampu menghasilkan PIDM sama sekali. ”
Keberadaan gelombang gravitasi ini dapat dikonfirmasi atau dikesampingkan oleh studi masa depan yang melibatkan Cosmic Microwave Background (CMB). Ini adalah berita yang menarik, karena penemuan gelombang gravitasi baru-baru ini diperkirakan akan mengarah pada upaya baru untuk mendeteksi gelombang purba yang berasal dari penciptaan Alam Semesta.
Seperti yang dijelaskan Sandora, ini menghadirkan skenario win-win bagi para ilmuwan, karena ini berarti bahwa kandidat Dark Matter terbaru ini akan dapat dibuktikan atau dibantah dalam waktu dekat.
“Skenario kami membuat prediksi konkret: kita akan melihat gelombang gravitasi pada generasi berikutnya dari eksperimen latar belakang gelombang mikro kosmik. Oleh karena itu, ini adalah skenario tidak ada ruginya: jika kita melihat mereka, itu hebat, dan jika kita tidak melihatnya, kita akan tahu materi gelap bukanlah PIDM, yang berarti kita tahu ia harus memiliki beberapa interaksi tambahan dengan masalah biasa. Dan semua ini akan terjadi dalam dekade berikutnya, yang memberi kita banyak hal untuk dinanti. ”
Sejak Jacobus Kapteyn pertama kali mengusulkan keberadaan Dark Matter pada tahun 1922, para ilmuwan telah mencari beberapa bukti langsung tentang keberadaannya. Dan satu demi satu, partikel kandidat - mulai dari gravitinos dan MACHOS hingga axion - telah diusulkan, ditimbang, dan ditemukan kekurangan. Jika tidak ada yang lain, adalah baik untuk mengetahui bahwa keberadaan partikel kandidat terbaru ini dapat dibuktikan atau dikesampingkan dalam waktu dekat.
Dan jika terbukti benar, kita akan menyelesaikan salah satu misteri kosmologis terbesar sepanjang masa! Selangkah lebih dekat untuk benar-benar memahami Semesta dan bagaimana kekuatan misteriusnya berinteraksi. Teori Segalanya, kami datang (atau tidak)!
