Dunia Pararel - Michio Kaku [#110]

Bagian 2 : Multiverse > Bab 9 Mencari Gema Dari Dimensi Kesebelas

Mengukur Dimensi Kesebelas

Di samping mencari dark matter dan black hole, yang paling membangkitkan minat fisikawan ialah mencari dimensi ruang dan waktu yang lebih tinggi. Salah satu upaya paling ambisius untuk memverifikasi keberadaan alam semesta bersahabat dikerjakan di Universitas Colorado di Boulder. Para ilmuwan di sana mencoba mengukur penyimpangan dari aturan kuadrat terbalik Newton yang terkenal.

Menurut teori gravitasi Newton, gaya tarik di antara dua benda berkurang seiring kuadrat jarak yang memisahkan mereka. Bila Anda meniru jarak dari Bumi ke Matahari, maka gaya gravitasi turun sebesar 2 kuadrat, atau 4. Ini, pada gilirannya, mengukur dimensionalitas ruang.

Sejauh ini, aturan gravitasi Newton berlaku pada jarak kosmologis yang melibatkan gugus-gugus besar galaksi. Tapi tak ada seorang pun yang menguji aturan gravitasinya hingga skala panjang kecil karena amat sulit. Karena gravitasi ialah gaya yang demikian lemah, disturbansi sekecil apa pun sanggup mengacaukan eksperimen. Bahkan truk yang lewat menghasilkan getaran cukup besar untuk menghapuskan eksperimen yang mencoba mengukur gravitasi di antara dua objek kecil.

Fisikawan di Colorado membangun instrumen halus, disebut resonator berfrekuensi tinggi, yang bisa menguji aturan gravitasi hingga sepersepuluh milimeter, pertama kalinya dilakukan pada skala demikian kecil. Eksperimen itu terdiri dari dua buluh tungsten sangat tipis yang digantung di ruang vakum. Salah satu buluh bergetar pada frekuensi 1.000 putaran per detik, terlihat ibarat papan seluncur yang bergetar. Fisikawan kemudian mencari getaran yang ditransmisikan di ruang vakum ke buluh kedua. Pirantinya begitu sensitif sehingga sanggup mendeteksi gerakan buluh kedua yang disebabkan oleh gaya sebesar sepermiliar berat sebutir pasir. Bila ada penyimpangan dalam aturan gravitasi Newton, maka semestinya terdapat disturbansi kecil yang terekam pada buluh kedua. Namun, sesudah menganalisis jarak hingga seperseratus delapan juta meter, fisikawan tidak menemukan penyimpangan semacam itu. “Sampai sekarang, Newton mempertahankan kedudukannya,” kata C. D. Hoyle dari Universitas Trento di Italia, yang menganalisis eksperimen tersebut untuk majalah Nature.

Hasil ini memang negatif, tapi ini telah merangsang selera fisikawan lain yang ingin menguji penyimpangan pada aturan Newton hingga level mikroskopis.

Eksperimen lain sedang direncanakan di Universitas Purdue. Fisikawan di sana ingin mengukur penyimpangan kecil dalam gravitasi Newton bukan pada level milimeter tapi pada level atom. Mereka berencana melaksanakan ini dengan menggunakan nanoteknologi untuk mengukur perbedaan antara nikel 58 dan nikel 64. Dua isotop ini mempunyai sifat listrik dan kimiawi yang identik, tapi isotop yang satu mempunyai 6 neutron lebih banyak daripada isotop satunya lagi. Secara prinsip, satu-satunya perbedaan antara isotop-isotop ini ialah bobot mereka.

Para ilmuwan ini membayangkan membuat perangkat Casimir yang terdiri dari 2 set pelat netral yang terbuat dari dua isotop ini. Normalnya, ketika pelat-pelat ini disatukan secara rapat, tak ada yang akan terjadi karena mereka tak punya muatan. Tapi mereka dirapatkan secara ekstrim, imbas Casimir terjadi, dan kedua pelat sedikit tertarik, sebuah imbas yang telah diukur di laboratorium. Tapi karena masing-masing set pelat paralel dibentuk dari isotop nikel berbeda, mereka akan tertarik secara sedikit berbeda, tergantung gravitasi mereka.

Dalam rangka memaksimalkan imbas Casimir, pelat harus dirapatkan secara ekstrim. (Efeknya berbanding terbalik dengan pangkat empat jarak keterpisahan. Karenanya, imbas ini tumbuh pesat sewaktu pelat disatukan.) Fisikawan Purdue akan menggunakan nanoteknologi untuk membuat pelat terpisah sebesar jarak atomik. Mereka akan menggunakan osilator torsi mikroelektromekanis canggih untuk mengukur osilasi kecil pada pelat. Perbedaan antara pelat nikel 58 dan nikel 64 kemudian sanggup diatributkan pada gravitasi. Dengan cara ini, mereka berharap mengukur penyimpangan pada aturan gerak Newton hingga jarak atomik. Bila mereka menemukan penyimpangan dari aturan kuadrat terbalik Newton yang populer dengan perangkat bakir ini, itu sanggup mengisyaratkan keberadaan alam semesta dimensi tinggi yang terpisah dari dimensi kita sejauh ukuran atom.

Large Hadron Collider

Tapi perangkat yang mungkin menjawab banyak dari pertanyaan ini secara meyakinkan ialah LHC (Large Hadron Collider), kini mendekati perampungan di bersahabat Jenewa, Swiss, di laboratorium nuklir populer CERN. Tak ibarat eksperimen terdahulu mengenai bentuk-bentuk bahan absurd yang secara alami terdapat di dunia kita, LHC mungkin mempunyai cukup energi untuk menciptakannya pribadi di laboratorium. LHC akan bisa menilik jarak amat kecil, hingga 10_19 meter, atau 10.000 kali lebih kecil dari proton, dan membuat temperatur yang tidak terlihat semenjak big bang. “Fisikawan merasa yakin bahwa alam merahasiakan trik gres sehingga niscaya terungkap dalam tubrukan itu—barangkali partikel eksotis yang dikenal sebagai boson Higgs, barangkali bukti adanya imbas absurd yang disebut supersimetri, atau barangkali sesuatu yang tak terduga yang akan membalikkan fisika partikel teoritis,” tulis Chris Llewellyn Smith, mantan administrator jendral CERN dan kini presiden University College di London. CERN telah mempunyai 7.000 pengguna peralatannya, yang jumlahnya mencapai lebih dari separuh jumlah fisikawan partikel eksperimental di planet ini. Dan banyak dari mereka akan terlibat pribadi dalam eksperimen-eksperimen LHC.

LHC merupakan mesin sirkuler canggih, berdiameter 27 kilometer, cukup besar untuk melingkungi sepenuhnya banyak kota di seluruh dunia. Terowongannya cukup panjang sehingga betul-betul mengangkangi perbatasan Prancis-Swiss. LHC begitu mahal sehingga membutuhkan konsorsium beberapa negara Eropa untuk membangunnya. Saat nantinya dinyalakan pada 2007, magnet-magnet kuat yang dirangkai sepanjang pipa sirkuler akan mendorong sorot proton bersirkulasi pada energi yang terus meningkat, hingga mereka mencapai sekitar 14 triliun eV.

Mesin ini terdiri dari ruang vakum sirkuler besar dengan magnet-magnet besar ditempatkan secara strategis di sepanjangnya untuk menekuk sorot bertenaga biar melingkar. Sewaktu partikel-partikel bersirkulasi dalam pipa, energi disuntikkan ke dalam ruang vakum, meningkatkan kecepatan proton. Saat sorot risikonya menghantam target, itu melepaskan ledakan radiasi raksasa. Fragmen-fragmen yang dihasilkan oleh tubrukan ini kemudian difoto oleh formasi detektor untuk mencari bukti adanya partikel subatom eksotis dan baru.

LHC betul-betul merupakan mesin raksasa. Sementara LIGO dan LISA unggul dari segi sensitifitas, LHC unggul dalam kekuatan kasar. Magnet-magnet kuatnya, yang menekuk sorot proton menjadi busur anggun, membangkitkan medan 8,3 tesla, 160.000 kali lebih besar dari medan magnet Bumi. Untuk membangkitkan medan magnet sedahsyat itu, fisikawan membenturkan 12.000 ampere arus listrik ke serangkaian coil (kumparan), yang harus didinginkan hingga -271 derajat C, di mana gulungan kehilangan seluruh resistensi dan menjadi superkonduktor. Secara keseluruhan, mesin ini mempunyai 1.232 magnet berpanjang 15 meter, yang ditempatkan di sepanjang 85% keliling mesin.

Dalam terowongan, proton-proton berakselerasi hingga 99,999999% kecepatan cahaya hingga mereka mengenai target, yang berlokasi di 4 kawasan di sekeliling pipa, dengan demikian menghasilkan miliaran tubrukan setiap detik. Detektor-detektor besar ditempatkan di sana (yang terbesar ialah seukuran bangunan 6 lantai) guna menganalisis puing-puing dan memburu partikel subatom yang sukar dipahami.

Sebagaimana tadi disebutkan oleh Smith, salah satu sasaran LHC ialah menemukan boson Higgs yang sulit dipahami, yang merupakan kepingan terakhir Standard Model yang masih melepaskan diri dari penangkapan. Itu penting karena partikel ini bertanggung jawab atas kerusakan kesimetrian impulsif dalam teori-teori partikel dan menjadikan massa dunia quantum. Estimasi atas massa boson Higgs menempatkannya di antara 115 hingga 200 miliar eV (proton, kontrasnya, berbobot sekitar 1 miliar eV). (Tevatron, mesin jauh lebih kecil yang berlokasi di Fermilab, luar Chicago, bekerjsama bisa menjadi akselerator pertama yang menjerat boson Higgs, bila massa partikel tersebut tidak terlalu berat. Secara prinsip, Tevatron sanggup menghasilkan hingga 10.000 boson Higgs bila beroperasi sesuai rencana. Namun, LHC akan menghasilkan partikel-partikel berenergi tujuh kali lebih besar. Dengan memainkan 14 triliun eV, masuk akal LHC sanggup menjadi “pabrik” boson Higgs, membuat jutaan partikel dalam tubrukan proton.)

Sasaran lain LHC ialah membuat kondisi yang tidak terlihat semenjak big bang. Fisikawan khususnya percaya bahwa big bang awalnya terdiri dari kumpulan longgar quark-quark dan gluon-gluon amat panas, disebut plasma quark-gluon. LHC akan bisa menghasilkan plasma quark-gluon jenis ini, yang mendominasi alam semesta di 10 mikrodetik pertama eksistensinya. Di LHC, seseorang bisa menubrukkan nukleus timah berenergi 1,1 triliun eV. Dengan tubrukan sedahsyat itu, 400 proton dan neutron sanggup “meleleh” dan membebaskan quark ke plasma panas ini. Dengan cara ini, kosmologi mungkin lambat-laun menjadi sains yang kurang observasional dan lebih eksperimental, dengan eksperimen-eksperimen akurat terhadap plasma quark-gluon yang dikerjakan secara sempurna di laboratorium.

Terdapat pula impian bahwa LHC akan menemukan mini-black hole di antara puing-puing yang dihasilkan oleh penubrukan proton secara gotong royong pada energi fantastik, sebagaimana disebutkan di cuilan 7. Normalnya, pembentukan black hole quantum semestinya terjadi pada energi Planck, yang satu quadriliun kali melampaui energi LHC. Tapi bila alam semesta paralel eksis dalam jarak 1 milimeter dari alam semesta kita, ini menurunkan level energi terukurnya efek-efek gravitasi quantum, menaruh mini-black hole dalam jangkauan LHC.

Dan terakhir, masih terdapat impian bahwa LHC akan bisa menemukan bukti adanya partikel supersimetri, yang akan menjadi terobosan bersejarah dalam fisika partikel. Partikel-partikel ini diyakini sebagai partner partikel biasa yang kita jumpai di alam. Walaupun teori string dan supersimetri memprediksikan bahwa tiap-tiap partikel subatom mempunyai “kembaran” berpusingan berbeda, partikel supersimetri belum pernah teramati di alam, mungkin karena mesin kita tidak cukup canggih untuk mendeteksinya.

Eksistensi superpartikel akan membantu menjawab dua pertanyaan bandel. Pertama, apakah teori string benar? Walaupun sangat sulit untuk mendeteksi string secara langsung, mungkin kita bisa mendeteksi oktaf atau resonansi rendah teori string. Jika partikel ditemukan, itu akan memberi justifikasi eksperimental pada teori string (walaupun ini masih belum akan menjadi bukti pribadi atas kebenarannya).

Kedua, itu menjadi kandidat yang barangkali paling masuk logika untuk dark matter. Jika dark matter terdiri dari partikel-partikel subatom, mereka niscaya stabil dan bermuatan netral (kalau tidak, mereka akan bisa dilihat), dan mereka niscaya berinteraksi secara gravitasi. Tiga sifat ini sanggup ditemukan di antara partikel-partikel yang diprediksikan oleh teori string.

LHC, yang akan menjadi akselerator partikel paling bertenaga ketika nanti dinyalakan, sebetulnya merupakan pilihan kedua bagi sebagian besar fisikawan. Pada 1980-an silam, Presiden Ronald Reagen menyetujui Supeconducting Supercollider (SSC), sebuah mesin dahsyat berkeliling 50 mil yang waktu itu direncanakan dibangun di luar Dallas, Texas; itu akan mengerdilkan LHC. Sementara LHC bisa menghasilkan tubrukan partikel dengan energi 14 triliun eV, SSC dirancang untuk menghasilkan tubrukan dengan energi 40 triliun eV. Proyek itu pada awalnya disetujui tapi, di hari-hari terakhir rapat dengar pendapat, Kongres AS tiba-tiba membatalkannya. Itu merupakan tamparan besar untuk fisika high-energy dan memundurkan bidang tersebut selama satu generasi penuh.

Perdebatan yang muncul terutama terkait biaya $11 milar untuk mesin dan prioritas sains yang lebih besar. Komunitas ilmiah sendiri parahnya terpecah terkait SSC itu, beberapa fisikawan mengklaim bahwa SSC sanggup menghabiskan dana dari penelitian mereka. Kontroversi tumbuh memanas sampai-sampai New York Times pun menulis editorial kritis mengenai ancaman bahwa “sains besar” akan mencekik “sains kecil”. (Argumen ini menyesatkan, karena anggaran SSC tiba dari sumber berbeda-beda dibanding anggaran untuk sains kecil. Kompetitor faktual untuk pendanaan ialah Space Station, yang dirasakan oleh banyak ilmuwan sebagai penghamburan uang yang nyata.)

Tapi bila ditilik kembali, kontroversi itu ialah menyangkut pembelajaran untuk berbicara kepada masyarakat dengan bahasa yang mereka pahami. Sedikit banyak, dunia fisika terbiasa mendapat atom smasher monster yang disetujui oleh Kongres karena Rusia membangunnya juga. Rusia, kenyataannya, membangun akselerator UNK mereka untuk bersaing dengan SSC. Gengsi dan kehormatan negara dipertaruhkan. Tapi Uni Soviet pecah, mesin mereka dibatalkan, dan perlahan-lahan aktivitas SSC tak berpengaruh.