Fisikawan yang memburu tangan tak kasat mata yang membentuk alam semesta kita dan galaksi-galaksi di dalamnya telah mengalihkan pandangan mereka ke sisi gelap. Secara khusus, satu tim mencari di balik setiap batuan kosmik untuk apa yang disebut foton gelap, yang dapat mentransmisikan kekuatan alam yang sebelumnya tidak diketahui.
Foton-foton ini akan memediasi interaksi antara semua materi normal dan hal-hal tak kasat mata yang disebut materi gelap.
Tetapi para ilmuwan telah lama memahami bahwa alam ditarik dan ditarik dan dihantam serta dihancurkan oleh empat kekuatan yang diketahui, jadi bagaimana mungkin kekuatan lain bersembunyi dari kita begitu lama? Keempat kekuatan yang diketahui itu menjadi landasan keberadaan kita sehari-hari: kekuatan nuklir kuat yang tiranik tetapi jaraknya pendek, yang mengikat inti atom bersama-sama; gaya nuklir lemah yang tidak jelas dan bisikan-tenang, yang mengendalikan peluruhan radioaktif dan berbicara dengan partikel-partikel subatomik yang disebut neutrino; gaya elektromagnetik yang berani dan cerah, yang mendominasi kehidupan kita; dan gaya gravitasi halus, yang paling lemah dari kuartet.
Dengan menggunakan empat kekuatan fundamental ini, fisikawan dapat melukis potret dunia subatom dan makroskopis kita. Tidak ada interaksi yang tidak melibatkan salah satu dari empat karakter itu. Namun, masih banyak misteri mengenai interaksi di alam semesta kita, terutama pada skala terbesar. Ketika kita perkecil ke skala galaksi dan seterusnya, sesuatu yang mencurigakan terjadi, dan kami memberikan nama mencurigakan itu materi gelap.
Apakah materi gelap itu sederhana dan tanpa hiasan, atau apakah ia menyembunyikan sejumlah kekuatan yang sebelumnya tidak diketahui di cengkeramannya? Sekarang, tim fisikawan internasional, yang menggambarkan pekerjaan mereka secara online di jurnal pracetak arXiv, telah menggunakan data dump dari Large Hadron Collider - penghancur atom terbesar di dunia - untuk mencari kekuatan seperti itu. Untuk saat ini, pencarian mereka telah berubah menjadi kosong - yang bagus (semacam): Ini berarti hukum fisika kita yang diketahui masih berlaku. Tapi kami masih belum bisa menjelaskan materi gelap.
Tersesat dalam gelap
Materi gelap adalah bentuk materi hipotetis yang dikatakan menyumbang sekitar 80% dari total massa alam semesta. Ini semacam masalah besar. Kita tidak benar-benar tahu apa yang bertanggung jawab atas semua hal yang tidak terlihat ini, tetapi kita tahu itu ada, dan petunjuk terbesar kita adalah gravitasi. Dengan meneliti pergerakan bintang di dalam galaksi dan galaksi di dalam kluster, bersama dengan evolusi struktur terbesar di kosmos, para astronom hampir secara universal sampai pada kesimpulan bahwa ada lebih dari sekadar memenuhi mata galaksi.
Nama yang lebih baik untuk materi gelap mungkin materi yang tidak terlihat. Sementara kita dapat menyimpulkannya dari pengaruh gravitasinya (karena tidak ada yang luput dari pandangan Albert Einstein), materi gelap tidak berinteraksi dengan cahaya. Kita tahu ini karena jika materi gelap berinteraksi dengan cahaya (atau setidaknya, jika berinteraksi dengan cahaya seperti halnya materi yang akrab), kita akan melihat substansi misterius sekarang. Tapi sejauh yang bisa kita katakan, materi gelap - apa pun itu - tidak menyerap cahaya, memantulkan cahaya, membiaskan cahaya, menyebarkan cahaya, atau memancarkan cahaya. Untuk materi gelap, cahaya hanyalah persona non grata; bahkan mungkin tidak ada.
Jadi ada peluang kuat bahwa legiun partikel materi gelap mengalir ke seluruh tubuh Anda saat ini. Gabungan massa dari aliran tanpa akhir itu dapat membentuk nasib galaksi melalui pengaruh gravitasi, tetapi ia melewati materi normal tanpa ada halo. Kasar, aku tahu, tapi itu masalah gelap bagimu.
Membawa cahaya
Karena kita tidak tahu terbuat dari apa materi gelap, kita bebas untuk membuat segala macam skenario, baik duniawi maupun fantasi. Gambar paling sederhana dari materi gelap mengatakan bahwa itu besar dan mendasar. Ya, itu membentuk mayoritas besar massa alam semesta, tetapi hanya terdiri dari satu partikel sangat produktif yang tidak melakukan apa pun selain memiliki massa. Itu berarti materi dapat diketahui melalui gravitasi tetapi jika tidak pernah berinteraksi melalui kekuatan lain. Kita tidak akan pernah melihat materi gelap melakukan hal lain.
Skenario fantastis lebih menyenangkan.
Ketika para ahli teori bosan, mereka membuat ide untuk apa materi gelap itu, dan yang lebih penting, bagaimana kita bisa mendeteksinya. Level berikutnya pada skala teori-teori materi gelap yang menarik mengatakan bahwa zat itu kadang-kadang dapat berbicara dengan materi normal melalui gaya nuklir lemah. Gagasan itu memotivasi eksperimen dan detektor materi gelap di seluruh dunia saat ini.
Tapi tetap saja, skenario itu mengasumsikan masih ada empat kekuatan alam. Jika materi gelap adalah jenis partikel yang sebelumnya tidak terlihat, maka sangat masuk akal untuk menyarankan (karena kita tidak tahu apakah kita benar atau tidak) bahwa ia dikemas dengan kekuatan alam yang sebelumnya tidak diketahui - atau mungkin pasangan, siapa tahu ? Kekuatan potensial ini mungkin membiarkan materi gelap hanya berbicara dengan materi gelap, atau mungkin menjalin materi gelap dan energi gelap (yang kita juga tidak mengerti), atau mungkin membuka saluran komunikasi baru antara sektor normal dan gelap di alam semesta kita. .
Bangkitnya foton gelap
Satu portal komunikasi yang diusulkan antara alam terang dan gelap adalah sesuatu yang disebut foton gelap, analog dengan foton (cahaya) gaya elektromagnetik yang sudah dikenal. Kita tidak bisa melihat atau merasakan atau mencium foton gelap secara langsung, tetapi mereka mungkin berbaur dengan dunia kita. Dalam skenario ini, materi gelap memancarkan foton gelap, yang merupakan partikel yang relatif besar. Ini berarti mereka memiliki efek hanya pada jarak pendek, sangat tidak seperti rekan-rekan mereka yang membawa cahaya. Tetapi kadang-kadang, foton gelap dapat berinteraksi dengan foton biasa, mengubah energi dan lintasannya.
Ini akan menjadi peristiwa yang sangat langka; jika tidak, kita akan memperhatikan sesuatu yang funky terjadi dengan elektromagnetisme sejak lama.
Jadi, bahkan dengan foton gelap, kita tidak akan dapat melihat materi gelap secara langsung, tetapi kita dapat mengendus keberadaan foton gelap dengan memeriksa sekumpulan interaksi elektromagnetik. Dalam sebagian kecil dari sekumpulan itu, sebuah foton gelap dapat "mencuri" energi dari foton biasa dengan berinteraksi dengannya.
Tapi seperti yang saya katakan, kita membutuhkan banyak interaksi. Kebetulan kami telah membangun Mesin Sains raksasa untuk menghasilkan hal itu, jadi kami beruntung.
Dalam makalah arXiv, fisikawan melaporkan hasil mereka setelah memeriksa data tiga tahun dari Super Proton Synchrotron, akselerator partikel terbesar kedua di CERN. Untuk percobaan ini, para ilmuwan menghancurkan proton terhadap setara subatomik dari dinding bata dan melihat semua potongan setelahnya.
Di reruntuhan, para peneliti menemukan elektron - banyak dari mereka. Selama tiga tahun, para ilmuwan menghitung lebih dari 20 miliar elektron dengan energi lebih dari 100 GeV. Karena elektron adalah partikel bermuatan dan suka berinteraksi satu sama lain, elektron berenergi tinggi dalam percobaan ini juga melahirkan banyak foton. Jika foton gelap ada, maka mereka kadang-kadang harus berinteraksi dengan dan mencuri energi dari salah satu foton biasa, sebuah fenomena yang akan muncul dalam percobaan sebagai kurangnya cahaya.
Pencarian untuk foton gelap ini kosong - semua foton normal ada dan dicatat - tetapi itu tidak sepenuhnya mengesampingkan keberadaan foton gelap. Sebaliknya, ia membatasi sifat-sifat yang diijinkan dari partikel-partikel ini. Jika memang ada, mereka akan berenergi rendah (kurang dari GeV, berdasarkan hasil percobaan) dan jarang berinteraksi dengan foton biasa.
Akan tetapi, pencarian foton gelap terus berlanjut, dengan percobaan di masa depan akan dilakukan lebih jauh lagi pada makhluk yang diusulkan dari dunia subatomik ini.
Baca selengkapnya: "Pencarian Materi Gelap di Peristiwa Hilang Energi dengan NA64"
Paul M. Sutter adalah seorang astrofisikawan di Universitas Negeri Ohio, tuan rumah dari "Tanya seorang angkasawan" dan "Radio luar angkasa, "dan penulis"Tempat Anda di Alam Semesta."
