In Search Of Dark Matter (Pencarian Dark Matter) - Ken Freeman & Geoff Mcnamara [#45]

Bab 12 : Mengeksplorasi Eksotika: WIMP dan Axion

Supersimetri

Supersimetri terkait dengan perbedaan antara skala-skala energi dalam fisika partikel. Ada satu skala energi mendasar yang disebut skala electroweak, yang tetapkan kekuatan interaksi lemah dan juga massa semua partikel (quark, lepton, dan seterusnya). Skala massa ini ialah sekitar 300 GeV. Skala mendasar lainnya ialah massa Planck, di mana gravitasi menjadi berpengaruh dan dibutuhkan teori gravitasi quantum. Skala ini jauh lebih tinggi: sekitar 1019 GeV. Skala generik selanjutnya ialah skala unifikasi hipotetis 1016 GeV – 3 orde magnitudo lebih kecil daripada skala Planck, tapi masih jauh lebih tinggi daripada skala electroweak. Pada akhirnya, dibutuhkan sebuah teori yang menjelaskan mengapa skala-skala mendasar dalam fisika ini berselisih begitu besar. Contoh, mengapa skala electroweak jauh lebih kecil daripada skala Planck? Supersimetri ialah sebuah upaya untuk menjelaskan setidaknya sebagian dari dilema ini.

Neutralino

Supersimetri pada esensinya memalsukan jumlah partikel di alam. Setiap partikel mempunyai partner yang disebut superpartner: quark mempunyai squark, elektron mempunyai selektron, foton mempunyai photino, dan seterusnya. Neutralino – superpartner dari beberapa partikel – ketika ini merupakan kandidat dark matter cuek yang sangat populer. Tapi tak berarti mereka eksis; hanya populer! Bagaimanapun, mereka bermanfaat – setidaknya secara teori. Karena satu hal, dengan sifat beratnya, mereka sanggup mengerahkan imbas gravitasi cukup besar terhadap sekeliling mereka. Lebih jauh, teori menyebutkan bahwa mereka sanggup saja dihasilkan dalam jumlah yang hampir sama dengan proton dan neutron. Semua ini menghasilkan satu kandidat dark matter yang menjanjikan. (Neutralino ialah superposisi quantum photino, zino, dan Higgsino netral. Zino ialah superpartner boson-Z, sementara Higgsino netral ialah superpartner boson-Z yang masih harus ditemukan itu. Ini agak rumit, alasannya ialah neutralino bukan superpartner dari satu partikel tertentu. Penulis tidak bertanggung jawab atas terminologi tersebut.)

Pencarian WIMP

Neutralino memenuhi syarat kekandidatan WIMP, tapi bisakah mereka dideteksi? Untuk menjadi dark matter, WIMP harus dihasilkan dalam Big Bang. Karena itu mereka harus berpasangan dengan materi biasa dengan kekuatan yang kurang lebih sama dengan interaksi lemah, ibarat dengan neutrino. Cara paling lumrah untuk mencari mereka ialah dengan mencari sebaran nuklir. WIMP diduga berinteraksi dengan proton dan neutron, dan akhirnya juga dengan nukleus atom, sehingga seandainya mereka eksis, mereka ada di mana-mana. Dengan sebuah detektor sensitif yang berisi nukleus, Anda mungkin akan melihat sesuatu yang misterius yang mengenai nukleus ini, dan itu mungkin ialah WIMP. Proses tubrukan berlangsung ketika Anda tiba-tiba melihat sebuah nukleus terbentur tanpa alasan nyata. Tekniknya ialah menambah benturan ini secukupnya untuk secara statistik menunjukan bahwa tubrukan-tubrukan itu disebabkan oleh WIMP.

Eksperimen semacam itu sedang dijalankan oleh para ilmuwan di Rutherford Appleton Laboratory, Imperial College, dan Universitas Sheffield. Jauh di dalam sebuah penambangan garam di Boulby, utara Inggris, detektor mereka mencari WIMP. Lebih dari satu kilometer di bawah permukaan, seribuan pekerja menempuh jaringan jalan yang mencakupi area 10 km2, mengekstrak garam dan kalium karbonat 24 jam sehari. Meski berlangsung semua acara tersebut, tambang Boulby ialah tempat ideal untuk mencari WIMP. Ini ialah yang terdalam di Eropa, sehingga sanggup mengurangi interfrensi sinar kosmik hingga level yang sebanding dengan tambang Kamioka Jepang. Perusahaan yang mempunyai tambang tersebut – Cleveland Potash Ltd – menyediakan tiga gua tak terpakai, masing-masing seukuran rumah kecil. Setelah dibentuk kedap debu, gua-gua itu dipasangi peralatan eksperimen dan kontrol, terhubung via kabel-kabel menuju ruang kendali di permukaan, dan dari sana menuju institusi partisipan. Di tengah-tengah operasi penambangan, detektor-detektor cahaya memonitor sebuah kristal iodide sodium seberat 6 kg untuk menanti kilasan cahaya singkat ketika sebuah nukleus ditubruk oleh sebuah WIMP. Namun ini pekerjaan yang sulit. Karena satu hal, meski laju benturan neutralino diduga 0,01-0,1 per kg per hari, interferensi latar mencapai 1.000 hingga 10.000 kali lebih tinggi. Selain itu, neutronneutron yang dihasilkan oleh uranium dan thorium dalam batu-batu sekitar sanggup menyebabkan imbas yang identik dengan interaksi WIMP.

Eksperimen serupa tengah dijalankan di bawah Apennines di Italia, dengan hasil yang menyebabkan rasa penasaran. Sebuah kerja sama Italia-China yang dikenal sebagai DAMA (DArk MAtter) memakai sembilan kristal iodide sodium seberat 9,7 kg sebagai sasaran – juga memonitor mereka untuk menanti kilasan cahaya. Berlokasi di Gran Sasso National Laboratory, Italia, DAMA terdapat jauh di bawah tanah demi memaksimalkan perlindungannya dari noise latar ibarat sinar kosmik. Begitu partikel-partikel dark matter melewati detektor, beberapa dari mereka akan mengenai nukleus dalam detektor dan menghasilkan sebuah sinyal. Sebagaimana dengan semua eksperimen semacamnya, terdapat noise latar yang konstan, yang asal-usulnya tidak diketahui. Yang menarik perhatian ialah pada ketika animo panas observasi itu memperoleh sinyal sedikit lebih berpengaruh dari detektor dibanding ketika animo dingin. Selama animo panas di belahan bumi utara, Bumi bergerak di ruang angkasa dalam arah yang kurang-lebih sama dengan gerakan Sistem Tata Surya di Galaksi. Ini ialah waktu yang Anda harapkan untuk menjumpai WIMP dalam jumlah lebih besar, sama dengan ketika Anda bersandar pada sisi sebuah sampan yang sedang bergerak dan menggerakkan tangan Anda ke arah haluan, Anda akan mengalami resistensi lebih besar dari air.

Inilah yang diklaim ditemukan tim DAMA: terdapat sekitar 100% peningkatan jumlah interaksi WIMP selama animo panas dibanding animo cuek – meski tak sanggup disangkal keasimetrian hanya terdeteksi pada ujung bawah rentang massa WIMP. Para kritikus menyampaikan bahwa sumber-sumber galat menggagalkan klaim tersebut, namun tim DAMA tetap bersikukuh. Yang lebih jauh merumitkan dongeng itu ialah bahwa detektor WIMP lain tidak menemukan apapun, meski sensitif terhadap tipe WIMP yang sama. Namun begitu, meski para periset mengakui masih mempunyai banyak pekerjaan untuk dilakukan, mereka menganggap hasil itu menyebabkan harapan. Salah satu cara untuk memverifikasi hasil-hasil mereka ialah dengan mencari peningkatan WIMP dari sumber terpisah di halo Galaksi di mana sinyal awal diklaim berasal dari sana. Salah sumber semacam itu sanggup saja berupa sebuah galaksi kerdil di rasi Sagittarius. Untuk beberapa saat, sekarang Bima Sakti sedang mengoyak-ngoyak kerdil Sagittarius tersebut. Proses ini telah menghasilkan dua ekor berbentuk busur pada galaksi kerdil tersebut, dan mungkin saja ekor-ekor ini mengandung WIMP. Karena Bumi akan menghadapi WIMP dari kerdil Sagittarius tersebut pada waktu yang berbeda dengan WIMP dari halo Bima Sakti, jumlah pendeteksian WIMP seharusnya bervariasi pada waktu-waktu tertentu dalam setahun. Lebih lanjut, energi yang dihasilkan oleh WIMP dari halo dan kerdil Sagittarius seharusnya berbeda pula. Bersamaan para kritikus yang skeptis atas hasil awal, menarik untuk memperhatikan bagaimana serpihan dalam dongeng pendeteksian dark matter ini berkembang.

Kontras dengan eksperimen bawah tanah ini, Cold Dark Matter Search (CDMS) merupakan eksperimen yang melibatkan sebuah kristal germanium besar dan beroperasi relatif bersahabat dengan permukaan Bumi. Meski demikian, ini diharapkan lebih sederhana dan lebih sensitif. Eksperimen CDMS ialah kerja sama beberapa institusi, termasuk Center for Particle Astrophysics – insitusi yang juga mendukung proyek MACHO. Setiap kali WIMP menubruk nukleus dalam kristal, nukleus semestinya tak hanya memanaskan kristal tapi juga memancarkan cukup radiasi untuk mengionisasi ratusan atom di sekitarnya. Temperatur maupun ionisasi sanggup dideteksi, mengindikasikan melintasnya WIMP. Dalam rangka mendeteksi perubahan temperatur yang kecil, kristal dijaga pada temperatur cuek 0,02 K dengan memakai sebuah cryostat yang dirancang dan dikonstruksi oleh Lawrence Berkeley Laboratory. Seperti eksperimen lain yang serupa, CDMS dijalankan di bawah tanah, tapi hanya 10 meter di bawah permukaan, dalam sebuah ruangan yang digali di bawah kampus Universitas Stanford. Ini menunjukkan susukan peralatan kepada para pelaksana eksperimen, sehingga begitu teknologi gres dikembangkan, sanggup diimplementasikan dengan segera dan mudah.

Kemungkinan lainnya yang mungkin membawa pada pendeteksian WIMP ialah menurut wangsit bahwa mereka mungkin tertarik pada objek-objek masif, ibarat inti Matahari atau Bumi. Berkumpulnya cukup WIMP di satu tempat, semestinya menciptakan Anda mulai melihat penghancuran terjadi begitu satu WIMP bertubrukan dengan yang lain. Hasil sampingan dari penghancuran tersebut mungkin ialah neutrino energetik, dan lantaran itulah beberapa pelaksana eksperimen tengah mencari neutrino energetik yang keluar dari Matahari. Neutrino semacam itu akan cukup berbeda dari neutrino surya biasa, lantaran energi mereka akan jauh lebih tinggi. Detektor-detektor ibarat SuperKamiokande ketika ini tengah memonitor neutrino surya.

Dalam upaya mempelajari neutrino yang timbul dari Bumi, sebuah eksperimen berjulukan AMANDA – Antarctic Muon and Neutrino Detector Array – diadakan di kutub selatan. Ratusan alat photosensitive telah diturunkan ke dalam lubang-lubang galian penuh air yang menembus antara 1,5 hingga 2 kilometer di bawah permukaan es. Dalam perjalanan melewati Bumi, neutrino-neutrino berenergi tinggi mestinya berinteraksi dengan material di sekitarnya – es, batu, dan sebagainya – kemudian menghasilkan muon. Saat muon melewati es, akan menghasilkan radiasi Cerenkov, yang sanggup dideteksi dan dipetakan. Alasan mengapa eksperimen ini bekerja ialah bahwa satu kilometer di bawah permukaan, es tidaklah putih dan bukan terdiri dari kristal ibarat es dalam kulkas rumah tangga. Di bawah beban fantastik es di atasnya, semua gelembung udara terdorong dari onggokan es, dan air bekunya semurni, sejernih, dan segelap ruang angkasa.

Penghancuran WIMP mungkin pula terjadi di halo Galaksi. Kita telah melihat bahwa halo Bima Sakti penuh dengan dark matter, dan jikalau dark matter ini berbentuk WIMP, maka ada konsentrasi besar WIMP yang siap untuk saling menghancurkan. Kali ini penghancuran tersebut akan menghasilkan sinar-sinar kosmik ganjil, yang sanggup dipelajari ketika mereka berinteraksi dengan atmosfer Bumi, memakai teleskop-teleskop berpenampilan gila ibarat CANGAROO II – kemudahan campuran Australia-Jepang di daerah terpencil Australia Selatan. Berbeda dari kebanyakan bidang astronomi, studi sinar kosmik tidak mengharuskan langit yang stabil; tapi membutuhkan langit yang gelap – dan di Australia Selatan, langitnya ialah yang tergelap di Bumi (hanya terganggu oleh kedatangan tak diundang para penembak kangguru dan lampu sorot dan senapan mereka yang terusmenerus hadir). Usaha-usaha lain dalam bidang ini meliputi observatorium High Energy Stereoscopic System (HESS) di Namibia, dan Whipple Observatory di Arizona Selatan.

Kontras dengan pencarian-pencarian astronomis ini, terdapat pula sebuah eksperimen yang murni di bumi: pendeteksian WIMP dalam sebuah akselerator partikel. Large Hadron Collider yang sekarang tengah dibangun di European Centre for Particle Physics (CERN) akan dipakai untuk mencari partikel-partikel supersimetris, termasuk neutralino. Mungkin saja suatu hari salah satu dari mereka sanggup muncul dan dideteksi.