In Search Of Dark Matter (Pencarian Dark Matter) - Ken Freeman & Geoff Mcnamara [#46]

Bab 12 : Mengeksplorasi Eksotika: WIMP dan Axion

Axion

Kandidat ketiga untuk dark matter non-baryon yaitu axion – masih teladan lain dark matter dingin. Saat ini, meski ada kebingungan mengenai apakah neutrino memainkan tugas penting dalam dongeng dark matter, setidaknya kita tahu mereka eksis; tapi itu tidak berlaku pada axion. Ini yaitu partikel spekulatif yang ditetapkan untuk memecahkan kasus teoritis dalam fisika partikel, jauh dari kosmologi. Seandainya axion eksis, mereka bersifat sangat ringan, dengan batas massa 10-4–10-6 eV. Ini beberapa orde magnitudo lebih ringan dari neutrino, sehingga kalau mereka merupakan sumber dark matter, semestinya mereka ada dalam jumlah besar. Contoh, kalau halo Galaksi penuh dengan axion, maka terdapat 1013 axion per centimeter kubik.

Ada sebuah komponen teori gaya nuklir besar lengan berkuasa yang mengikat quark ke dalam proton dan neutron yang mempunyai istilah khusus dalam persamaan-persamaan yang mengaturnya. Yaitu disebut istilah θ (theta), dan ini menjadikan ‘pelanggaran C-P’ besar lengan berkuasa – perbedaan antara interaksi partikel dan antipartikel. Secara kosmologis ini sangat penting, sebab hampir niscaya memainkan sebuah tugas dalam menjelaskan mengapa Alam Semesta tersusun dari materi ketimbang antimateri. Istilah θ dalam persamaan interaksi besar lengan berkuasa melanggar C-P sedemikian rupa sehingga benar-benar mengakibatkan masalah. Kekuatan pelanggaran C-P diatur oleh sebuah parameter arbitrari (berubah-ubah) – angka dalam persamaan yang tidak ditetapkan oleh teori. Karena interaksi besar lengan berkuasa tidak membedakan antara partikel dan antipartikel, batas atas sangat keras dikenakan pada harga konstanta arbitrari ini yang memutuskan kekuatan pelanggaran C-P. Angka ini yaitu sekitar 10-8, dan dengan demikian duduk kasus C-P besar lengan berkuasa yaitu untuk menjelaskan mengapa angka ini – berapapun – begitu amat kecil. Ini merupakan salah satu duduk kasus dalam fisika partikel, agak bersaudara dengan duduk kasus konstanta kosmologis tapi tidak terlalu berat. Bisa dikatakan bahwa ini yaitu konstanta arbitrari yang kebetulan saja memperoleh harga amat kecil ini. Meski konsisten secara teknis, sebagai sebuah klarifikasi barangkali sangat tidak memuaskan. Jadi, axion ditemukan untuk memperlihatkan alasan fisik mengapa pelanggaran C-P besar lengan berkuasa sangat lemah atau tidak ada.

Axion yaitu boson, yang berarti bahwa ia bukanlah partikel materi melainkan pengangkut gaya, menyerupai foton. Massa yang diperbincangkan untuk axion sangatlah kecil – sekitar 10-5 eV. Ada banyak sekali rintangan laboratorium dan astrofisik terkait massa dan kekuatan pemberpasangan axion dengan materi biasa. Ketika debu mengendap, angka itu sekitar 10-5 eV – sanggup 10-6 atau 10-4.

Secara kosmologis, axion dihasilkan selama transisi fase Quantum Chromodynamics (QCD) Big Bang. Dalam tahap paling awal Big Bang, quark dilepaskan; dengan kata lain, mereka bebas bergerak. Begitu Alam Semesta mengembang dan mendingin, satu titik kritis tercapai – transisi fase QCD – yang setelahnya quark tak lagi bebas bergerak. Di masa ini mereka mulai menggumpal menjadi baryon – proton, neutron, dan seterusnya. Materi baryon kemudian membeku sebab plasma yang pernah mengandung quark bebas – inilah alasannya disebut transisi fase. Seandainya eksis, axion mestinya dihasilkan pada transisi fase QCD ini, dan mestinya mereka tidak eksis hari ini.

Axion sanggup berpasangan dengan foton, sehingga salah satu cara untuk mencari mereka yaitu dengan mengamati perubahan mereka dari axion menjadi foton di sebuah medan magnet. Dua eksperimen paling penting dan menonjol dijalankan di Lawrence Livermore Laboratory dan oleh kelompok Kyoto di Jepang. Eksperimen Amerika itu – dimulai tahun 1995 – merupakan perjuangan campuran antara Massachusetts Institute of Technology, Lawrence Livermore National Laboratory, Fermilab, dan Lawrence Berkeley National Laboratory. Eksperimen sulit ini terdiri dari sebuah magnet seberat 12-ton setinggi 4-meter yang diturunkan ke dalam sebuah lubang di lantai gedung terpencil di Lawrence Livermore National Laboratory. Di sana, terisolasi dari perangkat-perangkat listrik dekat, alat seharga 1,4 juta dolar itu menghasilkan medan magnet sekitar 150.000 kali lebih besar lengan berkuasa dari medan magnet Bumi. Dalam magnet ini, sebuah rongga (yang sanggup disesuaikan) secara perlahan memindai rentang frekuensi yang dianggap ekuivalen dengan massa axion. Seandainya axion eksis, mereka semestinya berkembang menjadi foton sewaktu memasuki rongga tersebut – dan itulah tujuan penyelidikan para pelaksana eksperimen. Dengan massa sekecil itu, foton-foton yang dihasilkan akan mempunyai frekuensi gelombang mikro: yakni 0,2-20 GHz. Output radiasi yang dihasilkan akan mempunyai lebar frekuensi yang sangat sempit, sekitar satu potongan dalam sejuta. Amplifier gelombang mikro ultra-low noise memonitor rongga sehingga apabila dan saat axion timbul kemudian berkembang menjadi gelombang mikro, insiden tersebut akan terdeteksi.

Sejauh ini, sensitivitas yang diharapkan masih belum cukup, tapi hasil negatif ini telah membolehkan dikenakannya batas pada massa axion dan seberapa besar lengan berkuasa axion berpasangan dengan materi biasa, belum termasuk beberapa, tidak semua, massa yang menarik secara kosmologis. Makara meski bukti konkret keberadaan mereka telah diperoleh, mereka masih berupa kemungkinan.

Ini yaitu review singkat dan penting mengenai materi nonbaryon. Kita sanggup melanjutkan, tapi terang bahwa sekalipun materi semacam itu sukar dideteksi, eksistensinya kurang-lebih sudah pasti. Yang tidak diketahui para ilmuwan yaitu materi itu persisnya menyerupai apa. Tapi sekarang kita harus kembali ke pertanyaan perihal tugas yang dimiliki, atau pernah dimiliki, materi semacam itu dalam evolusi Alam Semesta.