Fisika Fundamental Teruji: Eksperimen Modern Tantang Teori Klasik

Penelitian LUX-ZEPLIN (LZ) adalah salah satu eksperimen terbesar untuk mencari partikel materi gelap, yang diyakini menjadi sebagian besar materi di alam semesta. Eksperimen ini dilakukan di sebuah fasilitas bawah tanah di Dakota Selatan, Amerika Serikat, menggunakan tabung besar berisi cairan xenon untuk mendeteksi partikel langka yang bertabrakan dengan atom xenon. Salah satu tujuan utama penelitian ini adalah mencari partikel yang disebut WIMP, yang merupakan salah satu kandidat kuat untuk materi gelap. Selain itu, para peneliti juga berusaha untuk mendeteksi neutrino dari matahari, khususnya jenis boron-8, yang sering menjadi gangguan dalam penelitian materi gelap karena memiliki tanda yang mirip. Setelah menjalankan eksperimen selama 417 hari, hasilnya menunjukkan bahwa tidak ada tanda yang cukup kuat untuk menyimpulkan adanya WIMP bermassa rendah. Namun, pengamatan terhadap neutrino boron-8 meningkat ke tingkat keyakinan yang cukup tinggi, yang sangat membantu dalam membedakan antara sinyal materi gelap dan sinyal neutrino. Para peneliti merencanakan untuk melanjutkan eksperimen ini dengan periode pengamatan yang jauh lebih lama mulai tahun 2028. Dengan durasi 1,000 hari, mereka berharap bisa meningkatkan peluang mendeteksi partikel langka atau kejadian fisika yang baru, yang akan membuka pemahaman lebih dalam tentang alam semesta. Meski belum mendapatkan bukti langsung materi gelap, penelitian ini menunjukkan kemajuan penting dalam teknologi dan metode deteksi partikel. Para ilmuwan tetap optimis dan berkomitmen untuk terus mencoba dan belajar dari hasil setiap eksperimen, karena alam semesta mungkin memiliki cara yang berbeda dari yang kita perkirakan.

Selama lebih dari sepuluh tahun, para kosmolog menghadapi masalah besar yaitu perbedaan hasil pengukuran laju ekspansi alam semesta. Dua cara pengukuran utama memberi hasil berbeda; cara pertama menggunakan bintang dan supernova dekat menunjukkan angka sekitar 73 km/s/Mpc, sementara cara kedua berdasarkan radiasi sisa Big Bang atau cosmic microwave background (CMB) menunjukkan laju yang lebih rendah sekitar 67 km/s/Mpc. Ketidaksesuaian ini disebut ketegangan Hubble dan jika bukan kesalahan, bisa menunjukkan ada fisika baru yang belum dimengerti. Untuk mengatasi masalah tersebut, tim astronom mencoba metode baru yang berbeda dari sebelumnya, yaitu mengukur waktu tunda cahaya dari kuasar yang dilihat melalui lensa gravitasi. Fenomena ini terjadi ketika gravitasi galaksi besar membelokkan cahaya kuasar sehingga kita melihat beberapa gambar dengan waktu tiba yang berbeda-beda. Dengan mengukur waktu tunda ini, dapat dihitung jarak dan sekaligus laju ekspansi alam semesta. Penelitian ini menggunakan delapan sistem lensa kuasar dan data gambar dari teleskop canggih, termasuk James Webb Space Telescope. Selain waktu tunda, mereka juga membuat model distribusi massa galaksi lensa untuk mengkalkulasi bagaimana cahaya dibelokkan. Hasil akhirnya menunjukkan nilai laju ekspansi yang mendukung angka lebih tinggi yaitu sekitar 73 km/s/Mpc, sama dengan metode pengukuran lokal, dan berbeda dengan hasil dari CMB. Walaupun hasil ini memperkuat kemungkinan ketegangan Hubble adalah fenomena asli, masih ada ketidakpastian terutama dalam model distribusi massa galaksi lensa yang bisa mempengaruhi hasil. Peneliti menilai jumlah sampel delapan sistem masih terlalu sedikit dan presisi sekitar 4,5% belum cukup tajam untuk kesimpulan akhir. Mereka menyatakan perlu peningkatan jumlah data dan teknologi pengamatan yang lebih baik. Ke depannya, metode tersebut akan dikembangkan lebih lanjut dengan meningkatkan jumlah sistem lensa dan presisi pengukuran hingga satu sampai dua persen. Jika berhasil, hal ini dapat membuka kemungkinan untuk mengungkap fisika baru yang belum dijelaskan oleh model kosmologi standar saat ini, serta merevisi cara kita memahami alam semesta.

Para ilmuwan biasanya mempelajari inti atom dengan menembakkan elektron dan mengamati pola hamburan yang dihasilkan. Pola ini sangat presisi dan sesuai dengan teori, bahkan dalam efek kecil seperti perubahan ketika spin elektron dibalik. Namun, inti timbal menunjukkan perilaku aneh karena efek spin yang diharapkan tidak muncul dalam eksperimen sebelumnya. Penelitian di lab Jefferson di AS sebelumnya menemukan bahwa efek spin-elektron yang seharusnya ada akibat pertukaran dua foton virtual justru menghilang saat menabrak inti timbal. Tidak ada teori yang bisa menjelaskan mengapa efek ini hilang, yang menyebabkan kebingungan di kalangan ilmuwan. Untuk menyelidiki lebih dalam, para peneliti dari Johannes Gutenberg University menggunakan akselerator MAMI di Mainz, Jerman, dengan peralatan yang mampu mengontrol energi dan sudut elektron sangat baik. Eksperimen baru ini menunjukkan efek spin yang besar dan jelas pada timbal, berbeda dengan data sebelumnya, dan lebih besar dari prediksi teori. Hasil ini menegaskan bahwa perilaku inti timbal berbeda drastis dibandingkan inti ringan lain. Efek spin berubah secara tak terduga dengan energi elektron, dan tidak ada model teori saat ini yang bisa menjelaskan fenomena ini, yang penting untuk eksperimen presisi tinggi yang akan dilakukan di masa depan. Tim peneliti merencanakan studi lebih lanjut dengan berbagai energi dan perbandingan dengan inti berat lain. Mereka juga bekerja sama dengan teoriwan untuk membuat model baru yang bisa menjelaskan perilaku ini, agar eksperimen mendatang yang menguji teori fundamental fisika tidak salah interpretasi.

Neutron stars adalah sisa dari bintang yang sangat padat, sehingga menciptakan kondisi ekstrem di mana fisikawan dapat menguji teori baru. Salah satu teori tersebut adalah adanya gaya fundamental kelima yang dibawa oleh partikel skalar, sebuah jenis partikel hipotetik tanpa spin yang bisa berinteraksi dengan proton dan neutron di dalam neutron stars. Jika partikel skalar itu nyata, maka mereka akan dihasilkan setiap kali proton dan neutron bertabrakan di dalam neutron stars, sehingga menyebabkan bintang tersebut kehilangan panas lebih cepat dari yang diketahui. Oleh karena itu, astronom menggunakan pengamatan suhu neutron stars selama jutaan tahun untuk mencari tanda-tanda pendinginan ekstra ini sebagai petunjuk adanya gaya kelima. Tim peneliti internasional membangun simulasi yang memasukkan seluruh proses pendinginan yang dikenal, termasuk emisi neutrino dan radiasi permukaan. Mereka menambahkan kemungkinan emisi partikel skalar dan membandingkan hasil simulasi tersebut dengan data pengamatan dari neutron stars seperti kelompok 'Magnificent Seven' dan pulsar PSR J0659 yang terkenal. Hasilnya menunjukkan bahwa suhu neutron stars saat ini cocok dengan model pendinginan standar tanpa adanya pendinginan tambahan yang diharapkan bila ada partikel skalar yang berinteraksi kuat dengan nukleon. Berdasarkan hasil ini, mereka menetapkan batas atas kuatnya interaksi partikel skalar dengan nukleon pada nilai sangat kecil, yaitu 𝑔𝑁≲5×10−14. Penelitian ini menegaskan bahwa meskipun sulit mencari gaya kelima di laboratorium Bumi, pengamatan astronomi dapat memberikan batasan yang sangat ketat dan membantu mengarahkan teori fisika fundamental ke arah yang lebih tepat. Kedepannya, teknologi observasi yang lebih maju dapat membantu menemukan bukti baru atau mempersempit kemungkinan teori baru ini.

Para ilmuwan dari University of Science and Technology of China telah berhasil mewujudkan eksperimen pemikiran yang diajukan oleh Albert Einstein pada tahun 1927. Eksperimen tersebut menggunakan atomic interferometer yang sangat sensitif dengan atom rubidium tunggal untuk menguji prinsip dasar mekanika kuantum terkait sifat foton dan interferensinya. Ide Einstein adalah mencoba mengukur jalur foton melewati celah pada percobaan double-slit tanpa menghilangkan pola interferensi gelombang, yang jika berhasil akan menantang mekanika kuantum. Namun, Niels Bohr berpendapat bahwa pengukuran semacam itu tidak mungkin dilakukan tanpa mengganggu sistem, karena sifat-sifat kuantum tertentu tidak dapat diobservasi bersamaan dalam satu waktu. Dalam percobaan di USTC, atom rubidium menjadi detektor 'cahaya' yang dapat menangkap momentum kecil dari foton yang melaluinya. Ketika atom dikunci dengan kuat, pola interferensi tetap utuh karena jalur foton tidak dapat diketahui. Sebaliknya, saat atom dikendalikan longgar, interferensi menghilang akibat atom bergerak sedikit dan menunjukkan jalur foton. Hasil ini mengkonfirmasi kembali bahwa prinsip ketidakpastian dan konsekuensi dari keterikatan kuantum benar adanya dan tidak dapat dilewati, serta menegaskan kemenangan teori Bohr atas argumen Einstein. Eksperimen ini sangat penting sebagai fondasi untuk penelitian mendalam dalam fisika kuantum fundamental. Selain itu, teknologi kontrol atom tunggal yang digunakan membuka peluang baru untuk mempelajari fenomena seperti decoherence dan hubungan antara keterikatan kuantum dan lingkungan, yang penting untuk pengembangan komputer kuantum, sensor presisi, dan jaringan komunikasi kuantum.

Ilmuwan di Tiongkok berhasil mereplikasi eksperimen pikiran yang diusulkan oleh Albert Einstein hampir seratus tahun lalu. Tujuannya adalah untuk menguji apakah benar partikel kuantum bisa diamati jalurnya dan pola gelombangnya secara bersamaan. Dalam sejarah fisika, pandangan ini menjadi perdebatan antara Einstein dan Bohr. Pan Jianwei dan timnya menggunakan alat yang sangat sensitif untuk mendeteksi dorongan dari satu foton. Alat ini mampu mengukur fenomena kuantum dengan tingkat presisi yang belum pernah ada sebelumnya, memungkinkan eksperimen yang dulunya hanya berupa konsep menjadi kenyataan. Eksperimen ini mengikuti ide Einstein yang awalnya ingin membuktikan bahwa pengamatan simultan jalur partikel dan pola interferensi gelombang itu memungkinkan. Namun, hasilnya justru mendukung pendapat Bohr bahwa ini tidak mungkin dan menjadi batas alami dalam dunia kuantum. Hasil penelitian ini dipublikasikan di jurnal Physical Review Letters dan menunjukkan bahwa dunia kuantum memang tidak bisa dipahami sepenuhnya dengan metode pengamatan klasik. Ini memperkuat teori mekanika kuantum yang menjadi salah satu dasar ilmu fisika modern. Keberhasilan ini membuka peluang bagi penelitian kuantum lebih lanjut dan dapat mempercepat pengembangan teknologi kuantum yang lebih maju, sekaligus memperjelas batas ilmu pengetahuan manusia dalam memahami alam semesta secara fundamental.