Sekitar 80% dari semua materi di kosmos adalah bentuk yang sama sekali tidak diketahui oleh fisika saat ini. Kami menyebutnya dark matter, karena yang dapat kami katakan adalah ... dark. Eksperimen di seluruh dunia berusaha menangkap partikel materi gelap yang tersesat dengan harapan memahaminya, tetapi sejauh ini mereka telah berubah menjadi kosong.
Baru-baru ini, sebuah tim ahli teori telah mengusulkan cara baru untuk berburu materi gelap menggunakan "partikel" aneh yang disebut magnon, sebuah nama yang saya tidak hanya buat. Riak-riak kecil ini dapat memikat partikel materi gelap yang cepat berlalu, dari bersembunyi, kata para ahli teori.
Teka-teki materi gelap
Kita tahu segala macam hal tentang materi gelap, dengan pengecualian apa itu materi gelap.
Meskipun kita tidak dapat secara langsung mendeteksinya, kita melihat bukti materi gelap segera setelah kita membuka teleskop kita ke alam semesta yang lebih luas. Wahyu pertama, jauh di tahun 1930-an, datang melalui pengamatan cluster galaksi, beberapa struktur terbesar di alam semesta. Galaksi yang menghuni mereka hanya bergerak terlalu cepat untuk disatukan sebagai sebuah cluster. Itu karena massa kolektif galaksi memberikan lem gravitasi yang membuat cluster bersama - semakin besar massa, semakin kuat lem itu. Lem super-kuat dapat menyatukan bahkan galaksi yang bergerak paling cepat. Lebih cepat dan cluster hanya akan merobek sendiri terpisah.
Tetapi di sana ada kluster-kluster yang ada, dengan galaksi-galaksi yang berdengung di dalamnya jauh lebih cepat daripada yang seharusnya diberikan massa gugusan. Sesuatu memiliki pegangan gravitasi yang cukup untuk menyatukan cluster, tetapi ada sesuatu yang tidak memancarkan atau berinteraksi dengan cahaya.
Misteri ini bertahan tanpa terpecahkan selama beberapa dekade, dan pada tahun 1970-an astronom Vera Rubin menaikkan taruhan secara besar-besaran melalui pengamatan bintang-bintang di dalam galaksi. Sekali lagi, segala sesuatunya bergerak terlalu cepat: Mengingat massa yang diamati, galaksi-galaksi di alam semesta kita seharusnya memisah-misahkan miliaran tahun yang lalu. Sesuatu menyatukan mereka. Sesuatu yang tak terlihat.
Kisah ini berulang di seluruh kosmos, baik dalam ruang maupun waktu. Dari cahaya paling awal dari Big Bang hingga struktur terbesar di alam semesta, sesuatu yang funky ada di sana.
Mencari dalam gelap
Jadi materi gelap sangat banyak ada - kita tidak bisa menemukan hipotesis lain yang layak untuk menjelaskan tsunami data untuk mendukung keberadaannya. Tapi apa itu? Tebakan terbaik kami adalah bahwa materi gelap adalah sejenis partikel eksotis yang baru, yang sampai sekarang tidak diketahui oleh fisika. Dalam gambar ini, materi gelap membanjiri setiap galaksi. Faktanya, bagian yang terlihat dari sebuah galaksi, seperti yang terlihat melalui bintang-bintang dan awan-awan gas dan debu, hanyalah sebuah mercusuar kecil yang berhadapan dengan pantai yang jauh lebih besar dan lebih gelap. Setiap galaksi berada di dalam "lingkaran cahaya" besar yang terdiri dari zillions di atas zillions partikel materi gelap.
Partikel-partikel materi gelap ini mengalir melalui kamar Anda sekarang. Mereka mengalir melalui Anda. Pancuran hujan tak berujung dari partikel materi gelap yang kecil dan tak terlihat. Tapi Anda tidak memperhatikannya. Mereka tidak berinteraksi dengan cahaya atau dengan partikel bermuatan. Anda terbuat dari partikel bermuatan dan Anda sangat ramah dengan cahaya; Anda tidak terlihat oleh materi gelap dan materi gelap tidak terlihat oleh Anda. Satu-satunya cara kita "melihat" materi gelap adalah melalui gaya gravitasi; Gravitasi memperhatikan setiap bentuk materi dan energi di alam semesta, gelap atau tidak, jadi pada skala terbesar, kita mengamati pengaruh massa gabungan semua partikel yang tak terhitung jumlahnya ini. Tapi di sini di kamarmu? Tidak ada.
Kecuali, kami berharap, ada beberapa cara lain bahwa materi gelap berinteraksi dengan kita materi normal. Ada kemungkinan bahwa partikel materi gelap, apa pun itu, juga merasakan gaya nuklir lemah - yang bertanggung jawab atas peluruhan radioaktif - membuka jendela baru ke dunia tersembunyi ini. Bayangkan membangun detektor raksasa, hanya massa besar elemen apa pun yang Anda miliki. Partikel materi gelap mengalir melaluinya, hampir semuanya benar-benar tidak berbahaya. Tetapi kadang-kadang, dengan kelangkaan tergantung pada model tertentu dari materi gelap, partikel yang lewat berinteraksi dengan salah satu inti atom dari unsur-unsur dalam detektor melalui gaya nuklir yang lemah, menjatuhkannya keluar dari tempatnya dan membuat seluruh massa detektor gemetar.
Masukkan magnon
Susunan eksperimental ini hanya berfungsi jika partikel materi gelap relatif berat, sehingga cukup kuat untuk melumpuhkan nukleus dalam salah satu interaksi langka itu. Namun sejauh ini, tidak ada detektor materi gelap di seluruh dunia yang melihat jejak interaksi, bahkan setelah bertahun-tahun pencarian. Karena percobaan telah berjalan, sifat-sifat materi gelap yang diijinkan perlahan-lahan dikesampingkan. Ini tidak selalu merupakan hal yang buruk; kita benar-benar tidak tahu apa yang terbuat dari materi gelap, jadi semakin kita tahu tentang apa itu bukan, semakin jelas gambaran tentang apa itu bisa terjadi.
Tetapi kurangnya hasil bisa sedikit mengkhawatirkan. Calon terberat untuk materi gelap semakin dikesampingkan, dan jika partikel misterius terlalu terang, itu tidak akan pernah terlihat di detektor seperti yang diatur sekarang. Yaitu, kecuali ada cara lain agar materi gelap dapat berbicara dengan materi biasa.
Dalam sebuah artikel baru-baru ini yang diterbitkan dalam jurnal online preprint arXiv, fisikawan merinci pengaturan eksperimental yang diusulkan yang dapat menemukan partikel materi gelap dalam tindakan mengubah putaran elektron (jika, sebenarnya, materi gelap dapat melakukan itu). Dalam pengaturan ini, materi gelap berpotensi terdeteksi, bahkan jika partikel yang dicurigai sangat terang. Hal ini dapat dilakukan dengan membuat apa yang disebut magnon dalam materi.
Berpura-puralah Anda memiliki sepotong material pada suhu nol mutlak. Semua putaran - seperti magnet batang kecil - dari semua elektron dalam hal ini akan menunjuk ke arah yang sama. Ketika Anda perlahan-lahan menaikkan suhu, beberapa elektron akan mulai bangun, bergoyang-goyang dan secara acak mengarahkan putarannya ke arah yang berlawanan. Semakin tinggi Anda menaikkan suhunya, semakin banyak elektron yang terbalik - dan masing-masing flips tersebut mengurangi kekuatan magnetik hanya dengan sedikit. Masing-masing putaran yang diputar itu juga menyebabkan sedikit riak dalam energi materi, dan goyangan-goyangan itu dapat dipandang sebagai partikel semu, bukan partikel sejati, tetapi sesuatu yang dapat Anda gambarkan dengan matematika dengan cara itu. Partikel semu ini dikenal sebagai "magnon," mungkin karena mereka seperti magnet kecil yang imut.
Jadi jika Anda memulai dengan bahan yang benar-benar dingin, dan partikel materi gelap yang cukup menyerang materi dan membalikkan beberapa putaran, Anda akan mengamati magnet. Karena sensitivitas eksperimen dan sifat interaksi, pengaturan ini dapat mendeteksi partikel materi gelap yang ringan.
Yaitu, jika ada.
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.
