Kembali pada 2008, seberkas proton pertama kali mengelilingi Zider Large Hadron Collider (LHC), akselerator partikel paling kuat di dunia. Sekarang, satu dekade kemudian, sekarang saatnya untuk memeriksa apa yang telah kita pelajari berkat fasilitas ini dan apa yang ada di depan.
Akuntansi ini mencakup penelitian di masa depan yang dapat dilakukan oleh LHC dan kemungkinan fasilitas baru yang dapat bertabrakan dengan energi yang jauh melampaui apa yang dapat dicapai oleh LHC. Dua, atau mungkin tiga, kemungkinan penggantian untuk LHC telah diusulkan. Jadi, mari kita tinjau di mana kita berada dan di mana kita telah datang selama dekade terakhir.
Kisah LHC sangat menggembirakan dan bergolak, dengan berbagai peristiwa mulai dari kerusakan yang menghancurkan hingga magnet besar instrumen pada hari-hari pertama operasi, hingga kenaikan yang menyerupai phoenix dari tragedi itu, diikuti oleh penemuan-penemuan yang solid dan menarik, termasuk penemuan bos Higgs. Temuan itu menghasilkan Peter Higgs dan Francois Englert Hadiah Nobel, seperti yang mereka prediksi partikel lebih dari setengah abad yang lalu. Tidak biasa bagi dunia untuk mengikuti berita fisika partikel, tetapi pengumuman penemuan Higgs memimpin siaran berita di seluruh dunia.
Menemukan fisika baru
Fisikawan juga berada di ujung kursi mereka, menunggu apa yang mereka harapkan akan menjadi penemuan tak terduga. Selama hampir setengah abad, para ilmuwan telah memiliki pemahaman teoretis saat ini tentang perilaku materi subatomik. Pemahaman ini disebut Model Standar fisika partikel.
Model ini menjelaskan perilaku yang diamati dari molekul dan atom dari materi biasa dan bahkan dari blok bangunan terkecil yang pernah diamati. Partikel-partikel ini disebut quark dan lepton, dengan quark ditemukan di dalam proton dan neutron yang terdiri dari inti atom dan dengan elektron menjadi lepton yang paling dikenal. Model Standar juga menjelaskan perilaku semua gaya yang diketahui, kecuali gravitasi. Ini benar-benar prestasi ilmiah yang luar biasa.
Namun, Model Standar tidak menjelaskan semua hal dalam fisika teoretis. Itu tidak menjelaskan mengapa quark dan lepton tampak ada dalam tiga konfigurasi yang berbeda tetapi hampir sama, yang disebut generasi. (Mengapa tiga? Mengapa bukan dua? Atau empat? Atau satu? Atau 20?) Model ini tidak menjelaskan mengapa alam semesta kita seluruhnya terbuat dari materi, ketika pemahaman paling sederhana dari teori relativitas Albert Einstein mengatakan bahwa alam semesta juga harus mengandung jumlah antimateri yang sama.
Model Standar tidak menjelaskan mengapa studi tentang kosmos menunjukkan bahwa materi biasa atom hanya membentuk 5 persen dari materi dan energi alam semesta. Sisanya dianggap terdiri dari materi gelap dan energi gelap. Materi gelap adalah suatu bentuk materi yang hanya mengalami gravitasi dan tidak ada satu pun kekuatan fundamental lainnya, sementara energi gelap adalah bentuk gravitasi yang menjijikkan yang menembus kosmos.
Sebelum operasi pertama LHC, fisikawan seperti saya berharap bahwa penghancur atom akan membantu kami menjawab pertanyaan-pertanyaan membingungkan ini. Teori kandidat yang paling sering dikutip untuk menjelaskan teka-teki itu disebut supersimetri. Ini menunjukkan bahwa semua partikel subatomik yang dikenal memiliki partikel mitra "superpartner". Ini, pada gilirannya, dapat memberikan penjelasan untuk materi gelap dan menjawab beberapa pertanyaan lainnya. Namun, fisikawan belum mengamati supersimetri. Terlebih lagi, data LHC telah mengesampingkan teori paling sederhana yang menggabungkan supersimetri. Jadi, apa yang telah dicapai LHC?
LHC telah melakukan banyak hal
Nah, selain dari seluruh masalah bos Higgs, LHC telah memasukkan data ke empat kolaborasi eksperimental besarnya, menghasilkan lebih dari 2.000 makalah ilmiah. Di dalam LHC, partikel telah dihancurkan satu sama lain dengan energi 6,5 kali lebih tinggi daripada yang dicapai oleh Fermilab Tevatron, yang memegang gelar akselerator partikel paling kuat di dunia selama seperempat abad, sampai LHC mengambil mahkota itu.
Tes-tes Model Standar ini sangat penting. Salah satu dari pengukuran itu mungkin tidak setuju dengan prediksi, yang akan mengarah pada penemuan. Namun, ternyata Model Standar adalah teori yang sangat baik, dan itu dibuat sebagai prediksi akurat pada energi tabrakan LHC seperti yang terjadi pada tingkat energi di Tevatron sebelumnya.
Jadi, apakah ini masalah? Dalam arti yang sangat nyata, jawabannya adalah tidak. Bagaimanapun, ilmu pengetahuan adalah tentang menguji dan menolak ide-ide baru yang salah seperti halnya memvalidasi yang benar.
Di sisi lain, tidak dapat disangkal bahwa para ilmuwan akan jauh lebih bersemangat untuk menemukan fenomena yang sebelumnya tidak diprediksi. Penemuan jenis itu mendorong pengetahuan manusia, yang berpuncak pada penulisan ulang buku teks.
Kisah LHC belum berakhir
Jadi sekarang apa? Apakah LHC selesai menceritakan kisahnya kepada kami? Hampir tidak. Memang, para peneliti berharap untuk perbaikan pada peralatan yang akan membantu mereka mempelajari pertanyaan yang tidak dapat mereka atasi menggunakan teknologi saat ini. LHC ditutup pada awal Desember 2018 selama dua tahun perbaikan dan peningkatan. Ketika akselerator kembali beroperasi pada musim semi 2021, akselerator akan kembali dengan sedikit peningkatan energi tetapi menggandakan jumlah tabrakan per detik. Dengan mempertimbangkan peningkatan yang direncanakan di masa depan, para ilmuwan LHC sejauh ini hanya mencatat 3 persen dari data yang diharapkan. Meskipun akan memakan waktu bertahun-tahun untuk menyaring semua temuan, rencana saat ini adalah untuk merekam sekitar 30 kali lebih banyak data daripada yang telah diperoleh hingga saat ini. Dengan lebih banyak data yang akan datang, LHC masih memiliki banyak cerita.
Namun, sementara LHC akan beroperasi selama mungkin 20 tahun lagi, sangat masuk akal juga untuk bertanya, "Apa selanjutnya?" Fisikawan partikel sedang berpikir untuk membangun akselerator partikel lanjutan untuk menggantikan LHC. Mengikuti tradisi LHC, satu kemungkinan akan bertabrakan berkas proton bersama-sama pada energi yang membingungkan - 100 triliun elektron volt (TeV), yang jauh lebih besar daripada kemampuan tertinggi LHC yaitu 14 TeV. Tetapi untuk mencapai energi tersebut akan membutuhkan dua hal: Pertama, kita perlu membangun magnet yang dua kali lebih kuat dari yang mendorong partikel di sekitar LHC. Itu dianggap menantang tetapi dapat dicapai. Kedua, kita akan membutuhkan terowongan lain, mirip dengan LHC, tetapi sekitar tiga kali lebih besar, dengan keliling rata 100 mil (100 kilometer), sekitar empat kali lebih besar dari LHC.
Tapi di mana terowongan besar ini akan dibangun, dan seperti apa jadinya? Balok apa yang akan bertabrakan dan pada energi apa? Ya, itu pertanyaan yang bagus. Kita tidak cukup jauh dalam proses desain dan pengambilan keputusan untuk mendapatkan jawaban, tetapi ada dua kelompok fisikawan yang sangat besar dan pandai memikirkan masalah tersebut, dan mereka masing-masing telah menghasilkan proposal untuk akselerator baru. Salah satu proposal, sebagian besar didorong oleh kelompok penelitian Eropa, membayangkan membangun akselerator tambahan besar, kemungkinan besar terletak di laboratorium CERN, tepat di luar Jenewa.
Di bawah satu gagasan, sebuah fasilitas di sana akan bertabrakan seberkas elektron dan elektron antimateri. Karena perbedaan antara akselerator yang dipercepat dibandingkan dengan elektron - berkas elektron kehilangan lebih banyak energi di sekitar struktur lingkaran daripada berkas proton - sinar ini akan menggunakan terowongan sepanjang 61 mil tetapi beroperasi dengan energi lebih rendah daripada jika itu adalah proton. Proposal lain akan menggunakan akselerator sepanjang 61 mil yang sama untuk bertabrakan dengan berkas proton. Proposal yang lebih sederhana akan menggunakan kembali terowongan LHC saat ini tetapi dengan magnet yang lebih kuat. Opsi itu hanya akan menggandakan energi tabrakan di atas apa yang bisa dilakukan LHC sekarang, tapi itu alternatif yang lebih murah. Usulan lain, sebagian besar diperjuangkan oleh para peneliti Cina, membayangkan fasilitas yang sama sekali baru, mungkin dibangun di Cina. Akselerator ini juga akan berada sekitar 61 mil di sekitarnya, dan itu akan bertabrakan elektron dan antimateri bersama, sebelum beralih ke tabrakan proton-proton di sekitar tahun 2040.
Dua proyek potensial ini masih dalam tahap pembicaraan. Akhirnya, para ilmuwan yang membuat proposal ini harus menemukan pemerintah atau kelompok pemerintah yang bersedia membayar tagihan. Tetapi sebelum itu bisa terjadi, para ilmuwan perlu menentukan kemampuan dan teknologi yang diperlukan untuk membuat fasilitas baru ini menjadi mungkin. Kedua kelompok baru-baru ini merilis dokumentasi yang luas dan menyeluruh tentang desain mereka. Itu tidak cukup untuk membangun fasilitas yang diusulkan, tetapi cukup baik untuk membandingkan kinerja yang diproyeksikan dari laboratorium masa depan dan mulai menyusun prediksi biaya yang dapat diandalkan.
Menyelidiki perbatasan pengetahuan adalah usaha yang sulit, dan bisa memakan waktu beberapa dekade dari mimpi pertama membangun fasilitas sebesar ini, melalui operasi hingga penutupan fasilitas. Saat kita menandai peringatan 10 tahun sinar pertama di LHC, ada baiknya kita memperhitungkan apa yang telah dicapai fasilitas dan apa yang akan terjadi di masa depan. Bagi saya sepertinya akan ada data menarik untuk dipelajari oleh generasi ilmuwan berikutnya. Dan mungkin, mungkin saja, kita akan belajar beberapa rahasia alam yang lebih menarik.
Don Lincoln adalah peneliti fisika di Fermilab. Dia adalah penulis "The Large Hadron Collider: Kisah Luar Biasa dari Higgs Boson dan Hal-Hal Lain yang Akan Memukau Anda"(Johns Hopkins University Press, 2014), dan ia menghasilkan serangkaian pendidikan sains video. Ikuti dia di Facebook. Pendapat yang diungkapkan dalam komentar ini adalah miliknya.
Don Lincoln menyumbang artikel ini ke Live Science Suara Ahli: Op-Ed & Insights.
