[비즈한국] Materi gelap. Bagi para astronom, ini adalah konsep yang sangat menarik sekaligus menyebalkan. Kita membutuhkan materi gelap untuk menjelaskan penampakan alam semesta yang teramati, namun hingga kini, bukti nyata mengenai apa sebenarnya wujud materi tersebut belum pernah tertangkap.
Ketika membicarakan teka-teki materi gelap yang belum terpecahkan, terkadang muncul lelucon bahwa ini bukan lagi salah astronom, melainkan salah fisikawan. Selama puluhan tahun, para astronom telah mengamati pergerakan bintang dan galaksi untuk memperkirakan keberadaan materi gelap, bahkan telah memetakan beberapa karakteristiknya. Namun, astronom pada dasarnya hanyalah pengamat langit.
Kini, tanggung jawab untuk benar-benar menangkap "hantu" tersebut—peran sebagai *Ghostbusters*—harus diserahkan ke tangan fisikawan. Baru-baru ini, para fisikawan mengumumkan bahwa mereka akhirnya menangkap sesuatu yang mencurigakan. Mereka mengeklaim mungkin telah berhasil menangkap partikel materi gelap setelah penantian panjang. Apakah perburuan yang sudah berlangsung lama ini akhirnya membuahkan hasil?
Kita perlu menyusun daftar kandidat materi gelap terlebih dahulu. Karena identitasnya benar-benar belum diketahui, ada banyak kandidat yang muncul dari imajinasi.
Pertama, ada WIMP (*Weakly Interacting Massive Particles*). WIMP tidak merujuk pada satu partikel spesifik. Ini adalah kandidat partikel hipotetis yang berinteraksi sangat jarang berdasarkan gaya nuklir lemah. WIMP relatif berat dan bisa berinteraksi secara langka dengan materi biasa. Contoh utamanya adalah partikel hipotetis seperti neutralino dan higgsino yang dibahas dalam teori supersimetri. Neutralino adalah partikel yang terbentuk dari perpaduan partikel simetris boson netral dalam Model Standar. Higgsino adalah pasangan supersimetri dari boson Higgs yang memiliki karakteristik sebagai fermion dengan spin 1/2, bukan 0. Kandidat hantu yang diburu dalam eksperimen LZ (*LUX-ZEPLIN*) yang kini menjadi sorotan adalah jenis WIMP berat seperti ini.
Ada juga kandidat yang jauh lebih ringan bernama aksion. Aksion adalah konsep yang diusulkan agar simetri tidak rusak dalam interaksi kuat. Neutrino steril, yang sering disebut sebagai neutrino ke-4, juga kerap disebut sebagai kandidat materi gelap. Berbeda dengan neutrino lainnya, ini adalah neutrino hipotetis yang bahkan tidak melakukan interaksi lemah dan hanya dipengaruhi oleh gravitasi.
Partikel materi gelap yang berat seperti WIMP dapat memberikan dampak langsung pada inti atom. Sebaliknya, bagi materi gelap yang ringan seperti aksion, jejak yang ditinggalkan pada elektron bisa jadi lebih terlihat daripada pada inti atom. Jika materi gelap adalah neutrino, keberadaannya bisa dikonfirmasi secara tidak langsung melalui perbedaan halus pada distribusi energi elektron saat terjadi peluruhan beta di dalam perangkat eksperimen. Dengan demikian, metode deteksi bergantung pada jenis partikel materi gelapnya.
Sayangnya, kita bahkan belum tahu jenis partikel apa materi gelap itu. Jadi, mau tidak mau, kita harus membuka semua kemungkinan dan menunggu sambil menguji semua metode yang kita ketahui secara bersamaan. Hanya jika sinyal yang pasti tertangkap di suatu tempat, barulah kita bisa mengetahui jenis partikel apa materi gelap itu. Ini bukan sekadar investigasi diam-diam menunggu pelaku yang identitasnya sudah diketahui muncul, melainkan situasi di mana kita berharap pelaku yang identitasnya pun belum kita ketahui secara tidak sengaja terjerat dalam jaring investigasi. Sekalipun kita berhasil menangkap sesuatu yang mencurigakan, proses untuk memverifikasi apakah itu benar pelaku yang kita tunggu pasti akan rumit dan harus dilakukan dengan sangat hati-hati.
Eksperimen LZ mencari kandidat materi gelap dari golongan WIMP berat yang dapat menabrak inti atom secara langsung. Fasilitas Penelitian Bawah Tanah Sanford terletak 1,5 km di bawah tanah di South Dakota, AS. Alasan perburuan materi gelap dilakukan jauh di bawah tanah adalah karena adanya sinar kosmik yang menghujani dari segala arah. Di permukaan bumi, hujan partikel seperti muon yang tercipta dari sinar kosmik terus-menerus turun. Partikel-partikel ini berinteraksi dengan material di sekitarnya dan juga menghasilkan neutron. Neutron adalah partikel yang secara elektrik netral namun mampu menabrak inti atom. Mereka adalah makhluk menyebalkan yang bisa berpura-pura menjadi materi gelap padahal bukan. Bebatuan yang tebal dapat mengurangi partikel-partikel ini secara signifikan. Di sisi lain, WIMP yang kita cari diketahui hampir tidak bereaksi dengan materi biasa, sehingga sebagian besar bisa menembus batuan tersebut.
Di pusat perangkat eksperimen LZ, terdapat 7 ton xenon cair. Ini adalah elemen yang digunakan oleh ras alien Rocky dalam "Project Hail Mary". Tentu saja, tidak seperti ras Rocky, kita tidak bisa menangani xenon dalam bentuk padat. Dari xenon cair di dalamnya, bagian yang benar-benar digunakan untuk pencarian materi gelap hanyalah sekitar 4,7 ton yang berada di bagian dalam ruang detektor. Hal ini karena material di bagian luar lebih rentan terkontaminasi.
Alasan pemilihan xenon adalah karena inti atomnya yang berat. Xenon memiliki nomor atom 54, sehingga tergolong berat. Xenon cair memiliki massa jenis sekitar 3 kali lipat lebih berat daripada air. Oleh karena itu, kemungkinan partikel materi gelap yang menyebalkan itu menabrak inti atom xenon dan meninggalkan jejak menjadi sedikit lebih tinggi. Selain itu, xenon di bagian luar juga berfungsi melindungi bagian dalam dengan menyerap radiasi eksternal. Xenon secara kimiawi stabil, sehingga memudahkan proses pemurnian dari kotoran secara presisi.
Keunggulan paling penting adalah ketika WIMP menabrak xenon, ia akan meninggalkan dua jenis cahaya secara bersamaan. Pertama, segera setelah WIMP menabrak inti atom xenon dalam keadaan cair, kilatan cahaya pertama muncul dalam hitungan puluhan nanodetik. Pada saat ini, sinar ultraviolet dengan panjang gelombang 178nm dipancarkan ke segala arah, yang disebut sebagai S1.
Dalam proses ini, elektron dilepaskan dari inti atom xenon. Elektron yang terlepas bergerak ke atas mengikuti medan listrik. Mereka keluar menuju lapisan gas di atas xenon cair dan terus menabrak atom-atom xenon lain yang dalam keadaan gas secara intens. Akibat tumbukan ini, atom-atom xenon yang tereksitasi kembali memancarkan cahaya kedua. Ini disebut sebagai S2.
S1 muncul, dan sesaat kemudian S2 muncul menyusul. Selisih waktu antara kedua sinyal tersebut dapat menunjukkan seberapa dalam sinyal pertama bermula. Selain itu, bentuk penyebaran cahaya yang dideteksi oleh sensor cahaya di atas juga dapat menunjukkan posisi horizontal di mana sinyal pertama bermula. Melalui sinyal yang terjadi dalam sepersekian detik secara beruntun tersebut, kita dapat merekonstruksi secara tiga dimensi di mana dan kapan tepatnya sinyal tersebut dimulai di dalam detektor.
Tumbukan langsung WIMP ke inti atom (recoil nuklir) dan recoil elektron akibat elektron bebas yang terlepas memiliki karakteristik sinyal yang berbeda. Dengan membandingkan rasio cahaya dan muatan yang terdeteksi pada masing-masing sinyal, kita bisa menyimpulkan partikel apa yang bertabrakan. Demikianlah para fisikawan memasang jaring untuk menunggu materi gelap sebagai WIMP dengan sangat teliti. Sekarang, semuanya bergantung pada kebetulan kosmik. Dua kebetulan yang kita harapkan adalah: pertama, semoga identitas materi gelap memang WIMP, bukan jenis lain. Kedua, semoga WIMP tersebut benar-benar melintas menembus detektor ini.
Perburuan yang gigih berlangsung selama 220 hari, dari Maret 2023 hingga April 2024. Pada 16 Juni 2023, cukup awal setelah perburuan dimulai, sebuah sinyal mencurigakan tertangkap. Sinyal yang tampak sebagai S1 dan S2 terdeteksi secara berurutan. Namun, mereka tidak langsung heboh. Waktu verifikasi internal yang lebih ketat dan mendebarkan pun menyusul. Mereka melakukan semacam tes buta (*blind test*) dengan rasa cemas, apakah itu mungkin ulah neutrino lain atau sinar kosmik yang menyusup menembus batuan.
Meskipun sinyal tertangkap di awal, data tersebut dienkripsi sehingga para peneliti sama sekali tidak tahu di zona mana sinyal itu muncul. Ini dilakukan agar peneliti tidak terpengaruh prasangka jika secara tidak sengaja melihat data yang mencurigakan di tengah jalan. Data baru akan dibuka setelah semua data final terkumpul. Dengan begitu, mereka dapat menilai secara objektif seberapa signifikan sinyal tersebut secara statistik dibandingkan dengan total data yang dikumpulkan selama periode pengamatan.
Oleh karena itu, para peneliti baru memastikan kemudian bahwa sinyal tertangkap pada Juni 2023. Keberadaan sinyal mencurigakan yang melintas secepat kilat di detektor saat itu baru diketahui dunia setelah lebih dari 3 tahun berlalu. Bisa dikatakan, pemeriksaan yang sangat teliti dan intens telah dilakukan.
Sinyal yang digunakan dalam analisis akhir berjumlah 1.710 kasus. Sebagian besar sesuai dengan latar belakang kebisingan (*background noise*) yang diperkirakan. Namun, dua sinyal yang tertangkap pada 16 Juni menyimpang dari tren kebisingan latar belakang. Posisi tertangkapnya sinyal juga cukup jauh dari dinding detektor, sehingga kemungkinan adanya kontaminasi dari sinar kosmik eksternal tidak terlalu tinggi.
Tim peneliti memperkirakan bahwa besaran energi recoil inti atom yang menyebabkan sinyal kali ini harus melebihi setidaknya 250keV. Ini adalah energi yang sangat besar. Sulit bagi partikel biasa untuk mengganggu inti atom dengan tingkat energi sebesar ini. Dengan ambang batas ini saja, dapat dilihat bahwa banyak faktor lain yang bisa mengganggu inti atom secara otomatis tereliminasi. Tim peneliti memperkirakan identitas sinyal tersebut adalah higgsino, pasangan supersimetri dari boson Higgs. Begitu senangnya, tim peneliti dikabarkan langsung menulis makalah setelah mengonfirmasi sinyal tersebut dan menyelesaikan drafnya dalam satu hari.
Jika itu benar-benar partikel materi gelap, maka bisa dikatakan sebuah partikel yang sangat kuat telah melintas menembus detektor secara kebetulan. Meskipun nilainya bervariasi tergantung modelnya, sayangnya signifikansi sinyal ini hanya sekitar 2,6 sigma, tidak mencapai 3 sigma. Jika eksplorasi terus dilakukan dengan metode yang sama, artinya ada probabilitas 0,5% sinyal aneh setingkat ini akan muncul kembali. Ini tidak berarti probabilitas bahwa itu materi gelap adalah 99,5%.
Meski bukan hasil yang benar-benar melegakan, mengingat betapa sulitnya melacak materi gelap, kejadian ini saja sudah bisa dikatakan sangat menarik. Jika di masa depan kita terus menunggu sinyal serupa untuk waktu yang lebih lama hingga data statistik tentang sinyal yang dicurigai sebagai materi gelap terkumpul dengan cukup, barulah kita bisa mencapai kesimpulan yang lebih jelas.
Tentu saja, masih terlalu dini untuk bersenang-senang. Di masa lalu, banyak kasus di mana kita mengira telah menemukan sinyal yang dicurigai sebagai materi gelap, tetapi berakhir menjadi peristiwa yang mengecewakan karena verifikasi independen gagal. Contoh utamanya adalah eksperimen DAMA di Gran Sasso, Italia, yang mengumumkan telah menangkap pola perubahan sinyal materi gelap sesuai musim, tetapi eksperimen deteksi independen di Korea Selatan tidak mengonfirmasi sinyal serupa. Hingga saat ini, bukan hanya di Italia dan Korea, detektor di berbagai belahan dunia masih menunggu materi gelap tanpa janji kepastian.
Melihat permainan petak umpet yang gigih dengan materi gelap yang misterius, banyak orang mengatakan bahwa materi gelap pada akhirnya akan mengikuti sejarah eter. Memang ada kemungkinan, namun sulit untuk menempatkannya pada posisi yang sama persis dengan situasi eter. Berkat eksperimen yang tidak terbantahkan bahwa kecepatan cahaya selalu konstan terukur terlepas dari arah dan waktu, hantu eter yang mengisi alam semesta manusia selama ribuan tahun pun lenyap tanpa bekas.
Situasi materi gelap lebih halus. Bisa dibilang lebih menyebalkan. Ada banyak eksperimen yang berusaha membuktikan materi gelap dan belum ada bukti pasti yang muncul. Namun, tidak ada ide eksperimental yang benar-benar bisa menunjukkan bahwa materi gelap itu tidak ada. Membuktikan secara jelas bahwa materi gelap tidak ada pun merupakan situasi yang sangat sulit.
Mungkin ada yang mengeluh bahwa karena definisi materi gelap sendiri sejak awal secara cerdik ditetapkan sebagai partikel yang tidak berinteraksi, maka ketika sinyal deteksi tidak terlihat, mereka beralasan bahwa materi gelap memang seperti itu adanya. Bahwa ada aspek seperti itu, tidak bisa dipungkiri. Namun, kita juga tidak bisa mengabaikan fenomena konsisten yang telah lama diamati di alam semesta, yaitu masalah bahwa alam semesta tampak lebih berat dan gravitasinya lebih kuat daripada yang terlihat. Salah satu prinsip sains yang sangat suci sekaligus menyebalkan adalah bahwa 'ketidakhadiran bukti bukanlah bukti dari ketidakhadiran'.
Pada akhirnya, akhir dari perdebatan seputar materi gelap hanya ada dua: menangkap sinyal materi gelap dengan jelas untuk mengetahui identitasnya, atau terus menatap detektor yang sunyi sambil menunggu jejak materi gelap tanpa kepastian. Semoga dua sinyal singkat yang tertangkap pada tahun 2023 menjadi tanda awal yang mengakhiri pertarungan panjang ini.
Penulis Ji Ung-bae? Mencintai kucing dan alam semesta. Sejak kecil setelah menonton ‘Galaxy Express 999’, ia memiliki mimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta. Saat ini menjabat sebagai asisten profesor di Departemen Studi Liberal Sejong University, ia terlibat dalam berbagai kegiatan komunikasi sains seperti ceramah dan menulis. Ia telah menulis buku seperti ‘Tentang Ketidakbergunaan Astronom’, ‘Kita Semua Terlahir sebagai Astronom’, ‘Pertanyaan Aneh yang Muncul Saat Melihat Alam Semesta’, dan menerjemahkan buku seperti ‘Bagaimana Saya Membunuh Pluto’, ‘Quantum Life’, ‘UFO’, dll.