Kemajuan dalam Fisika Teoritis: Wawasan Baru tentang Alam Dasar Alam Semesta

Sejak lama, para fisikawan percaya bahwa jika gravitasi memang kuantum, maka percobaan yang menunjukkan keterikatan kuantum antara dua objek masif bisa jadi bukti kuatnya. Ide ini berasal dari Richard Feynman pada tahun 1957 yang menyatakan bahwa gravitasi mampu mengentanglement dua objek, berarti gravitasi itu bukan sesuatu yang klasik. Namun, penelitian baru dari Richard Howl dan Joseph Aziz dari Royal Holloway, London, menunjukkan bahwa gravitasi yang dalam pengertian klasik pun dapat menyebabkan keterikatan kuantum jika kita mempertimbangkan teori medan kuantum untuk materi. Jadi keterikatan ini bukan hanya cerminan kuantisasi gravitasi, melainkan bisa juga berasal dari sifat kuantum materi itu sendiri. Penelitian ini mengubah paradigma lama di mana gravitasi klasik dianggap hanya bisa berkomunikasi secara lokal dan klasik. Dengan memasukkan teori medan kuantum, gravitasi klasik bisa melakukan apa yang sebelumnya dianggap hanya bisa dilakukan oleh komunikasi kuantum, yaitu menciptakan keterikatan atau quantum communication. Akibatnya, eksperimen yang dirancang untuk membuktikan bahwa gravitasi itu kuantum dengan mengukur keterikatan kuantum yang dihasilkan harus dipikirkan ulang. Diperlukan pengukuran yang sangat teliti untuk membedakan apakah keterikatan yang diamati benar-benar tanda gravitasi kuantum atau hanya efek dari gravitasi klasik yang berinteraksi dengan materi kuantum. Meskipun memberikan tantangan baru, studi ini juga membuka kemungkinan bagi penelitian selanjutnya untuk membuat eksperimen lebih spesifik dan bisa mengukur perbedaan antara model gravitasi klasik dan kuantum berdasarkan variabel seperti massa, jarak antara objek, dan durasi pengujian.

Pada 1867, Lord Kelvin pernah membayangkan atom sebagai simpul rumit di dalam eter, sebuah teori yang kemudian terbukti salah. Namun, konsep ini kini dihidupkan kembali oleh para fisikawan Jepang untuk menjelaskan kenapa alam semesta lebih banyak berisi materi daripada antimateri, sebuah pertanyaan besar yang belum terpecahkan dalam kosmologi. Big Bang seharusnya menghasilkan materi dan antimateri dalam jumlah yang sama, namun kenyataannya materi mendominasi alam semesta. Model Standar fisika partikel tidak mampu menjelaskan ketidakseimbangan ini, sehingga para ilmuwan terus mencari teori baru untuk menjawabnya. Tim dari Hiroshima University menggabungkan dua simetri dalam fisika, yaitu simetri B-L (Baryon Number Minus Lepton Number) dan simetri Peccei–Quinn (PQ). Gabungan ini memungkinkan terbentuknya simpul kosmik yang stabil di awal alam semesta dan kemudian runtuh, menghasilkan kelebihan materi dibanding antimateri. Proses ini juga menghasilkan neutrino berat yang berperan dalam pembentukan materi yang bertahan hingga sekarang. Selain itu, keruntuhan simpul ini meninggalkan efek berupa gelombang gravitasi dengan frekuensi tertentu, yang nanti bisa dideteksi oleh instrumen masa depan seperti LISA, Cosmic Explorer, dan DECIGO. Penemuan ini tidak hanya membantu menjawab misteri mengapa kita hidup di alam semesta yang dipenuhi materi, tetapi juga membuka peluang observasi fenomena baru melalui gelombang gravitasi, serta mungkin berkaitan dengan pencarian partikel gelap seperti axions.

Para peneliti dari Amerika Serikat dan Jepang berhasil menggabungkan hasil dua eksperimen besar untuk mendapatkan pengukuran paling tepat mengenai neutrino, partikel yang sangat sulit dideteksi karena jarang berinteraksi dengan materi. Eksperimen NOvA di AS dan T2K di Jepang mengirimkan sinar neutrino melintasi jarak ratusan0.00 km (mil) dan menggunakan detektor berbeda untuk mempelajari bagaimana neutrino berubah selama perjalanan mereka. Neutrino memiliki tiga jenis rasa yaitu elektron, muon, dan tau. Menariknya, neutrino bisa berubah dari satu rasa ke rasa lain saat mereka bergerak, fenomena yang disebut osilasi neutrino. Penelitian ini membantu para ilmuwan melacak perubahan tersebut serta membandingkan perilaku neutrino dan antineutrino yang bertindak seperti 'pasangan lawan'. Salah satu fokus utama adalah mencari bukti adanya pelanggaran Charge-Parity (CP) yang bisa menjelaskan mengapa alam semesta didominasi oleh materi, bukan antimateri. Mendeteksi perbedaan pada osilasi antara neutrino dan antineutrino bisa menjadi kunci penting untuk memecahkan misteri ini yang berakar sejak Big Bang. Meski hasil gabungan ini belum memberikan jawaban pasti, mereka mengungkapkan lebih banyak tentang sifat neutrino dengan cakupan data yang lebih luas dan keakuratan tinggi. Kolaborasi ini menunjukkan betapa pentingnya bekerja sama antar negara serta menggunakan pendekatan berbeda untuk memperkaya hasil penelitian. Di masa depan, eksperimen yang lebih canggih seperti Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) di AS dan Hyper-Kamiokande di Jepang diharapkan bisa memberikan informasi lebih dalam dan lebih lengkap tentang osilasi neutrino sepanjang jarak yang lebih jauh. Temuan ini juga menunjukkan bahwa rasa ingin tahu manusia tentang asal-usul alam semesta menjadi motivasi utama dalam ilmu partikel.

Gravitasi adalah salah satu fenomena alam yang paling sulit dipahami ketika dikaitkan dengan fisika kuantum. Meski sebagian besar fenomena dalam alam dipercayai mengikuti hukum kuantum, teori gravitasi yang saat ini kita pahami tidak sepenuhnya sesuai dengan prinsip tersebut. Para fisikawan selama ini mencoba mencari cara untuk membuktikan apakah gravitasi memang bersifat kuantum atau tidak. Salah satu tanda dari sifat kuantum adalah fenomena keterikatan kuantum atau entanglement, yang memungkinkan dua objek berbagi keadaan kuantum yang saling terkait. Banyak penelitian sebelumnya menyatakan jika gravitasi bisa menghasilkan keterikatan ini, maka gravitasi harus bersifat kuantum. Namun, beberapa teori baru mulai mempertanyakan anggapan tersebut. Richard Howl dan Joseph Aziz, dua fisikawan dari Royal Holloway University of London, mengusulkan sebuah perspektif baru. Mereka mempelajari interaksi dua massa berdasarkan teori relativitas umum versi sederhana dan menggunakan konsep teori medan kuantum, yang memandang materi sebagai gelombang dalam medan kuantum yang mendasarinya. Mereka mengatakan interaksi antara dua massa tidak hanya terjadi lewat medan gravitasi semata, tapi juga melalui medan materi seperti medan elektron dan lainnya yang juga bisa menimbulkan keterikatan kuantum. Jadi, meskipun gravitasi itu sendiri klasik, ia bisa menghasilkan efek kuantum melalui mekanisme lain. Pandangan ini membuka diskusi baru dalam dunia fisika tentang bagaimana gravitasi dan mekanika kuantum bisa saling berinteraksi tanpa perlu gravitasi menjadi sebuah teori kuantum penuh. Penelitian ini mendorong eksperimen baru untuk menguji hipotesis tersebut dan memperluas wawasan tentang alam semesta.