[비즈한국] Ada sebuah penghargaan yang disebut sebagai indikator peraih Nobel. Penghargaan tersebut adalah Breakthrough Prize. Para eksekutif Silicon Valley memberikan penghargaan beserta hadiah uang tunai yang besar kepada para ilmuwan yang telah berkontribusi pada kemajuan sains. Konon, siapa pun yang memenangkan penghargaan ini akan meraih Nobel dalam beberapa tahun ke depan.
Tahun ini, penghargaan diberikan kepada para fisikawan yang memimpin eksperimen yang disebut muon g-2 di Large Hadron Collider. Laboratorium Fermi, tempat Profesor Kim Young-kee dari University of Chicago menjabat sebagai direktur kehormatan, juga turut tercantum namanya. Ini adalah kabar yang sangat luar biasa.
Kekacauan yang terjadi di dunia mikroskopis yang sangat kecil mungkin menjadi petunjuk tak terduga tentang rahasia alam semesta yang telah lama belum terpecahkan, yaitu materi gelap. Mungkin saja rahasia besar dari makrokosmos yang luas tersembunyi di dalam mikrokosmos yang sangat kecil ini. Setiap kali kita melintasi kosmos, kita menemui kosmos baru yang asing pada skala yang sama sekali berbeda. Lantas, rahasia apa yang sebenarnya tersimpan dalam eksperimen muon g-2 yang menjadi sorotan Breakthrough Prize tahun ini?
Setelah partikel Higgs ditemukan, banyak orang berpikir: "Bukankah hampir semua partikel penting sudah ditemukan?" Model Standar sangat akurat dan eksperimen menjadi semakin presisi, namun tidak ada partikel baru yang terlihat. Mungkinkah era penemuan besar dalam fisika partikel sudah berakhir? Namun pada tahun 2021, satu partikel yang sangat kecil kembali membuat para fisikawan di seluruh dunia heboh. Nama partikel itu adalah muon.
Muon adalah partikel yang mirip dengan sepupu berat dari elektron. Muatan listriknya sama dengan elektron, spin-nya juga sama, dan berbagai sifat lainnya sangat mirip. Namun, perbedaannya adalah muon jauh lebih berat, sekitar 200 kali lipat dari elektron. Selain itu, muon sangat tidak stabil. Muon bukanlah partikel yang abadi. Ia hanya ada selama sekitar seperjuta detik sebelum meluruh menjadi partikel lain.
Muon juga tercipta secara alami di alam semesta. Ketika partikel berenergi tinggi yang disebut sinar kosmik bertabrakan dengan atmosfer bumi, muon tercipta dalam proses tersebut. Saat ini pun, di atmosfer bumi, banyak muon lahir dan menghilang. Hanya saja, karena umurnya yang sangat singkat, mereka muncul sebentar lalu lenyap begitu saja. Sekilas, rasanya seperti partikel yang tidak berguna. Jika demikian, mengapa para ilmuwan begitu terobsesi dengan partikel yang cepat menghilang ini? Hal itu karena muon adalah partikel yang sangat sensitif terhadap ruang kosong di alam semesta.
Ruang kosong yang biasa kita bayangkan adalah ruang tanpa apa pun. Namun dari sudut pandang mekanika kuantum, vakum tidak pernah benar-benar kosong. Vakum ibarat sup kuantum yang tak terlihat. Di dalamnya, partikel dan antipartikel muncul dan menghilang dalam sekejap. Elektron dan positron bisa muncul dan menghilang seketika, foton bisa muncul dan menghilang, dan lebih kompleks lagi, pasangan quark dan antiquark bisa muncul dan hilang secara instan. Muon melewati sup kuantum ini dan terpengaruh olehnya. Elektron pun terpengaruh, tetapi karena muon jauh lebih berat daripada elektron, muon menjadi jauh lebih sensitif. Oleh karena itu, muon berfungsi seperti probe yang memberi tahu kita bahan apa saja yang ada di dalam sup tak terlihat tersebut.
Partikel seperti elektron atau muon memiliki sifat mekanika kuantum yang disebut spin. Spin tidak berarti partikel tersebut benar-benar berputar seperti gasing, tetapi menciptakan efek yang mirip dengan rotasi kecil. Ketika partikel bermuatan memiliki spin, ia berperilaku seperti magnet batang kecil. Dengan kata lain, ia memiliki momen magnetik. Secara kasar, muon adalah magnet yang sangat kecil. Jadi, jika dimasukkan ke dalam medan magnet yang kuat, arah magnet kecil itu akan bergoyang. Jika Anda memutar gasing, Anda bisa melihat poros gasing tidak berdiri tegak tetapi bergoyang perlahan. Ini disebut presesi. Muon juga bergoyang dengan cara yang mirip di dalam medan magnet. Nilai yang menunjukkan derajat ini disebut g.
Menurut teori Dirac pada tahun 1930-an, nilai g untuk partikel dengan spin 1/2 seperti elektron atau muon seharusnya tepat 2. Teori saat itu, tanpa mengasumsikan struktur internal yang rumit, memprediksi sifat magnetik partikel dasar yang memiliki muatan dan spin sebagai angka yang rapi, yaitu 2. Namun, kosmos selalu melampaui harapan kita. Pada tahun 1948, para ilmuwan mengukur nilai g elektron dengan sangat presisi. Hasilnya tidak tepat 2, melainkan sekitar 2,00238. Sedikit lebih besar dari 2. Perbedaannya hanya sekitar 0,1 persen. Namun dalam fisika, ini adalah perbedaan yang tidak bisa diabaikan sebagai kesalahan ukur. Di sinilah elektrodinamika kuantum muncul.
Menurut elektrodinamika kuantum, elektron tidak sendirian. Vakum di sekitar elektron dikelilingi oleh awan partikel yang muncul dan menghilang secara instan. Medan listrik di dekat elektron sangat kuat, dan energinya dapat menciptakan pasangan partikel dan antipartikel untuk waktu yang singkat. Pasangan elektron-positron muncul dan menghilang, foton dipancarkan lalu diserap kembali. Di dunia subatomik, ruang di sekitar elektron atau muon bisa tampak seperti hutan yang dikerumuni kunang-kunang. Partikel muncul dan menghilang sejenak, dan kehadiran singkat tersebut sedikit mengubah sifat magnetik partikel aslinya. Itulah mengapa g tidak tepat 2, melainkan sedikit lebih besar dari 2.
Kelebihan kecil ini disebut oleh para ilmuwan sebagai momen magnetik anomali (anomalous magnetic moment). Dalam rumus, biasanya ditulis sebagai a=(g-2)/2. Sesuai namanya, ini adalah nilai g dikurangi 2 lalu dibagi 2. Nama muon g-2 pun berasal dari sini. Seberapa jauh nilai g menyimpang dari 2 menunjukkan bagaimana muon berinteraksi dengan vakum kuantum di sekitarnya. Dan di dalam vakum kuantum tersebut, terdapat efek dari semua partikel yang termasuk dalam Model Standar. Foton, elektron, positron, boson W, boson Z, quark, hingga gluon semuanya berkontribusi sedikit.
Brookhaven National Laboratory mengukur nilai g-2 muon dengan sangat presisi pada tahun 1990-an dan awal 2000-an. Hasilnya hampir sama persis dengan perhitungan Model Standar. Hampir semua digit cocok. Namun, ada perbedaan di digit terakhir, sekitar tempat desimal kedelapan atau kesembilan. Secara kasatmata, ini adalah perbedaan yang sangat kecil. Bisa diibaratkan seperti perbedaan 10-30 cm dalam memprediksi keliling bumi. Namun dalam fisika partikel, perbedaan sekecil ini tidak bisa diabaikan.
Eksperimen di Laboratorium Fermi menggunakan kembali cincin penyimpanan magnetik raksasa yang digunakan di Brookhaven. Cincin ini adalah perangkat melingkar raksasa dengan diameter 50 kaki, atau sekitar 15 meter. Untuk memindahkan perangkat ini dari Brookhaven National Laboratory di Long Island ke Laboratorium Fermi di Batavia, Illinois, para peneliti tidak membawanya langsung melalui jalur darat. Hal itu dikarenakan peralatan tersebut terlalu besar dan sensitif. Jadi, peralatan itu diangkut melalui laut dan sungai, sebelum akhirnya dimuat ke truk raksasa untuk dibawa ke Laboratorium Fermi.
Laboratorium Fermi menciptakan muon berenergi tinggi. Kemudian, muon-muon ini ditembakkan ke dalam cincin melingkar dengan medan magnet yang kuat. Muon bergerak cepat mengelilingi cincin dan bergoyang karena medan magnet tersebut. Frekuensi goyangan ini, yaitu kecepatan presesi, memberi tahu kita momen magnetik muon. Namun, muon tidak berumur panjang. Ia meluruh setelah sekitar seperjuta detik. Dalam waktu singkat itu, ia bisa mengelilingi cincin ratusan kali, tetapi akhirnya meluruh menjadi elektron atau positron dan sebagainya. Detektor di sekitar perangkat eksperimen mengukur energi dan arah partikel hasil peluruhan tersebut. Kemudian melalui informasi itu, mereka mengetahui kembali bagaimana muon aslinya bergoyang.
Eksperimen ini harus sangat presisi. Medan magnet tidak boleh berbeda sedikit pun. Pengukuran waktu detektor tidak boleh goyah sedikit pun. Bentuk sinar muon, koreksi medan listrik, osilasi arah vertikal, hingga kesalahan sistematis, semuanya harus dikendalikan. Karena itulah, eksperimen muon g-2 di Laboratorium Fermi dilakukan dengan metode buta (blind).
Hasil pertama dari Laboratorium Fermi pada tahun 2021 sangat cocok dengan hasil Brookhaven. Baik hasil Laboratorium Fermi maupun Brookhaven menunjukkan perbedaan sekitar 4,2 sigma dibandingkan dengan nilai teoritis representatif Model Standar saat itu! Meski belum mencapai 5 sigma yang diakui sebagai penemuan baru, perbedaan ini jelas tidak bisa diabaikan. Apa arti celah yang belum terpecahkan ini?
Di sini muncul konsep menarik lainnya, yaitu leptoquark. Biasanya, lepton dan quark dianggap sebagai jenis partikel yang berbeda. Elektron dan muon adalah lepton, partikel dasar yang tidak terpengaruh oleh gaya nuklir kuat. Quark adalah partikel dasar yang menyusun proton dan neutron. Namun, leptoquark adalah partikel hipotetis yang memiliki kedua sifat tersebut sekaligus. Revolusi kuantum yang membuat perbedaan antara partikel dan gelombang menjadi tidak berarti, kini sekali lagi mencoba mendobrak batas antara lepton dan quark di dalam Model Standar. Sungguh imajin imajinasi yang menakutkan tentang seberapa aneh makhluk yang mungkin bersembunyi di balik kosmos ini. Jika partikel hipotetis ini benar-benar ada, ia mungkin memperlakukan elektron dan muon secara tidak adil dalam proses peluruhan.
Dalam Model Standar, terdapat prinsip yang disebut universalitas lepton. Pemikirannya adalah bahwa meskipun massa elektron, muon, dan tau berbeda, cara interaksi dasarnya harus sama. Oleh karena itu, di luar efek massa khusus, rasio proses yang menuju pasangan elektron dan rasio yang menuju pasangan muon harus sama. Namun, hasil analisis data LHCb dari Large Hadron Collider menunjukkan ketidakseimbangan yang tidak terduga. Peluruhan yang menuju muon lebih sedikit daripada elektron. Perbandingannya bukan 1 banding 1, melainkan peluruhan menuju muon hanya sekitar 0,8.
Jika ini benar, artinya alam semesta memperlakukan elektron dan muon secara berbeda entah karena alasan apa. Alam semesta tampaknya lebih memilih elektron dan memproduksi lebih banyak elektron. Namun, ini sulit dipahami dalam kerangka Model Standar yang ada. Oleh karena itu, muncul interpretasi bahwa mungkin ada gaya kelima yang melampaui empat gaya dasar yang sudah diketahui.
Sudah diketahui bahwa Model Standar tidak lengkap. Model Standar tidak dapat menjelaskan materi gelap. Ia juga tidak bisa menjelaskan mengapa di alam semesta ada banyak materi dan hampir tidak ada antimateri. Mengapa partikel Higgs begitu ringan juga tetap menjadi teka-teki mendalam. Kita juga belum sepenuhnya memahami bagaimana gaya-gaya terintegrasi pada energi tinggi. Itulah mengapa para fisikawan berpikir bahwa fisika baru harus ada di suatu tempat. Hanya saja, mereka belum tahu di mana dan dengan cara apa fisika itu akan terungkap. Muon g-2 adalah eksperimen yang membuka salah satu pintu kemungkinan tersebut.
Referensi
https://muon-g-2.fnal.gov/
Siapa penulis Ji Ung-bae? Ia mencintai kucing dan alam semesta. Sejak kecil, ia menonton 'Galaxy Express 999' dan bermimpi untuk menyebarkan keindahan alam semesta. Saat ini, ia adalah profesor asisten di Departemen Studi Bebas Universitas Sejong yang aktif dalam berbagai kegiatan komunikasi sains seperti ceramah dan menulis. Ia menulis buku seperti 'Setiap Hari Sepotong Alam Semesta', 'Ilmuwan di Alam Semesta yang Berbintang', 'Tidak Bisa Pergi Tapi Bisa Mengetahui', dan 'Pertanyaan Aneh yang Muncul Saat Melihat Alam Semesta', serta menerjemahkan buku-buku seperti 'Panduan Hitchhiker untuk Menjelajahi Alam Semesta yang Sebenarnya', 'Bagaimana Saya Membunuh Pluto', 'Quantum Life', dan 'Cosmigraphics'.