TEORI UNIFIKASI DAN MATERI GELAP

Tulisan ini saya susun berdasarkan pemahaman yang saya peroleh dari kuliah umum pak Bobby Eka Gunara. Saya juga menambahkan beberapa literatur untuk mendukung saya dalam menyusun tulisan ini. kuliah umum pak Bobby ini sebenarnya sudah dilakukan enam tahun yang lalu. Saya juga sudah menontonnya berulang kali di youtube channel Institut Teknologi Bandung. Namun karena isi materinya menarik, saya memutuskan untuk membahasakan ulang apa yang saya dapat dari kuliah umum Pak Bobby. Semoga bermanfaat untuk pembaca sekalian.

Teori unifikasi adalah sebuah teori hasil gabungan beberapa teori. Teori unifikasi mengeneralisasi beberapa teori yang digabung. Teori-teori yang digabung ini bekerja dalam ruang lingkup yang lebih kecil sehingga kehadiran teori unifikasi diharapkan dapat menyederhanakan model penjelasan dan mendapatkan gambaran yang lebih besar. Usaha unifikasi teori pertama kali dilakukan oleh Maxwell. Maxwell berhasil menggabungkan teori tentang listrik dan magnet menjadi satu kesatuan. Akibatnya dipahami bahwa listrik dan magnet adalah dua fenomena yang sama karena listrik dapat menghasilkan magnet dan magnet pun  dapat menghasilkan listrik. Keberhasilan unifikasi ini memotivasi fisikawan-fisikawan lainnya bahwa unifikasi teori adalah sebuah keniscayaan.

Pada mulanya fisikawan meyakini bahwa proton, elektron, dan neutron merupakan tiga partikel dasar yang menyusun sebuah atom. Namun pada tahun 1928 P.A.M. Dirac berhasil membuat sebuah formulasi yang menggabungkan teori relativitas khusus dengan mekanika kuantum. Dengan formulasinya ini Dirac berhasil meramalkan kehadiran anti partikel. Anti partikel identik dengan pasangan partikelnya namun muatannya berlawanan tanda dengan pasangan partikelnya misal anti partikel dari elektron adalah positron yang memiliki massa yang sama dengan elektron namun muatannya +1. Empat tahun kemudian ramalan Dirac ini berhasil dibuktikan oleh Carl D. Anderson. Anderson juga pada tahun 1936 menemukan muon dengan anti partikelnya sehingga hal ini memotivasi para fisikawan lainnya untuk melakukan perburuan partikel subatomic. Untuk bisa melakukan perburuan partikel dibangunlah sebuah mesin pemercepat partikel yang dinamakan akselerator. Terdapat dua jenis akselerator yang dibangun yaitu akselerator linear dan akselerator melingkar (siklotron). Dalam akselerator linear partikel bermuatan dipercepat oleh medan listrik dan dalam akselerator melingkar (siklotron) partikel bermuatan dipercepat oleh medan magnet.                      

Percobaan demi percobaan dengan akselerator terus menghasilkan partikel-partikel baru.hal ini memaksa para fisikawan harus mencari model teori untuk mengklasifikasikan partikel-partikel ini. Pada awalnya partikel-partikel  dikelompokkan menjadi dua yaitu hadron dan lepton. Hadron terbagi menjadi dua yaitu partikel bermassa berat yang dinamakan barion dan partikel bermassa sedang yang dinamakan meson. Lepton sendiri merupakan kelompok partikel paling ringan. Kemudian pada tahun 1964 Murray Gell-Mann dan George Sweig mengusulkan sebuah skema baru dimana semua hadron dapat digambarkan sebagai gabungan tiga partikel dasar. Partikel-partikel ini dinamakan dengan kuark. Awalnya gagasan tentang kuark dapat menyelesaikan masalah klasifikasi partikel namun kemudian fisikawan mulai meragukan apakah gagasan ini hanya merupakan permainan matematik. Hingga akhirnya Richard P. Feynman dan James Bjorken menunjukkan dari data percobaan bahwa kuark merupakan struktur dalam dari proton dan neutron.

Awalnya diketahui bahwa terdapat dua interaksi dasar di alam semesta yaitu gravitasi dan elektromagnetik. Namun pada pertengahan tahun 1930-an Enrico Fermi menyusun sebuah teori tentang gaya inti lemah yang memperkirakan adanya partikel baru lain. Partikel ini secara elektris tidak bermuatan dan dibutuhkan untuk membawa energi yang hilang dalam salah satu proses peluruhan yang diamati. Fermi menyebut partikel ini dengan nama Neutrino. Neutrino ini merupakan partikel yang sulit dideteksi karena jarang berinteraksi dengan materi biasa. Meskipun demikian keberadaan Neutrino dibuktikan dalam percobaan Frederick Reines dan Clyde Cowan pada tahun 1953. Kemudian pada tahun 1950-an, Richard P. Feynman, Julian Schwinger, dan Sin-Itiro Tomonaga mengabungkan teori elektromagnetisme dan mekanika kuantum membentuk elektrodinamika kuantum, disebut QED. Dalam teori ini, electron-elektron berinteraksi satu sama lain dengan saling menukar foton maya. Foton ini disebut foton maya karena tidak dapat diamati. Sementara kuark masih dicari-cari dalam percobaan akhir tahun 1960-an, program penyatuan teoritis lainnya diusulkan. Model yang diusulkan ini menggabungkan interaksi lemah dan elektromagnetik yang kemudian disebut interaksi elektro lemah. Model ini diusulkan oleh Steven Weinberg, Sheldon Glashow, dan Abdus Salam. Mereka bekerja secara terpisah, Weinberg Glashow di Amerika dan Salam di Italia. Model baru yang mereka kemukakan ini memperkirakan adanya partikel-partikel baru yaitu W⁺, W^-, dan Z. kedua partikel ini kemudian dibuktikan keberadaannya pada tahun 1983 di laboratorium CERN. Sebenarnya ide penemuan untuk mendapatkan model interaksi elektro lemah ini juga berasal dari Peter Higgs yang sebelumnya menyatakan adanya keberadaan sebuah medan dimana semua partikel yang berinteraksi dengan medan ini akan memperoleh massa. Keberadaan partikel Higgs sendiri pada waktu itu sangat sulit untuk dideteksi karena keterbatasan energi yang dapat dicapai oleh akselerator yang ada pada saat itu. Partikel Higgs baru dilaporkan ada oleh percobaan akselerator di CERN pada tahun 2012. Sehingga partikel Higgs disebut partikel Tuhan Karena membutuhkan waktu yang sangat lama untuk membuktikan keberadaannya. Kata Tuhan sendiri merupakan plesetan media yang sebelumnya mendengar perkataan Leon Ledderman yang mengatakan partikel Higgs sebagai Goddamn Particle.  Selanjutnya pada tahun 1973 Murray Gell-Mann dan Harald Fritszch dengan teori medan kuantum mengusulkan interaksi kuat yang terjadi di inti atom antara proton dengan neutron dan sesama kuark. Menurut model mereka interaksi kuat terjadi dengan mempertukarkan partikel maya yang disebut gluon. Gluon dibuktikan keberadaannya pada 1979 di laboratorium CERN.

Pada pertengahan tahun 1970-an, karena perkembangan percobaan dalam mengejar partikel subatomic semakin banyak dan juga perkembangan teori-teori yang menjelaskan berbagi interaksi antar partikel semakin maju diusulkanlah sebuah model yang meringkas teori-teori  yang ada model ini dinamakan model standar. Menurut model standar penyusun dasar alam semesta adalah medan, kemudian paket-paket kecil energi muncul ketika prinsip-prinsip kuantum diterapkan pada medan, dan interaksi antara partikel terjadi dengan pertukaran boson (partikel pembawa gaya) yang tak bisa diamati karena pertimbangan ketidakpastian. Terdapat dua interaksi dalam model standar yaitu, interaksi kuat dan interaksi elektro lemah. Dalam model standar kuark dan lepton disebut fermion (partikel penyusun materi) kemudian gluon, foton, dua boson W, dan boson Z disebut boson (partikel pembawa interaksi). Sementara Higgs merupakan partikel pemberi massa. Sesama kuark berinteraksi dengan interaksi kuat dengan menukarkan partikel gluon sementara lepton berinteraksi dengan menukar partikel foton, dua boson W dan satu Z.  Kelemahan utama model standar adalah model standar tidak memasukkan gravitasi sebagai gaya ke-empat dan ternyata model standar hanya menjelaskan unifikasi dari dua gaya yaitu elektromagnetik dan interaksi lemah. Oleh sebab itu,

pada tahun 1974 Sheldon Glashow dan Howard Georgi mengusulkan unifikasi interaksi kuat dan elektro lemah. Model Georgi-Glashow ini merupakan model pertama Grand Unified Theory (GUT). Namun sampai saat ini belum ada observasi langsung untuk mengecek Grand Unified Theory karena untuk melakukan percobaan tersebut dibutuhkan energi sekitar 10¹⁶ GeV (hanya beberapa orde di bawah skala Plank untuk energi 10¹⁹ GeV) sedangkan sampai saat Large Hadron Collider di CERN baru mencapai energi tertinggi sebesar 13 TeV = 13000 GeV. Para fisikwan percaya bahwa situasi dimana GUT bekerja merupakan waktu-waktu awal alam semesta. Unifikasi agung yang diimpikan oleh banyak fisikawan adalah unifikasi empat interaksi. Model unifikasi ini disebut Theory Of Everything (TOE). TOE sendiri juga biasa disebut dengan quantum gravity karena dalam TOE teori gravitasi dan mekanika kuantum digabung. Dalam  TOE menyatakan bahwa pada waktu-waktu awal alam semesta hanya terdapat satu interaksi yaitu quantum gravity. Kenapa harus quantum gravity karena diduga alam semesta mengembang dari sebuah titik super padat dan panas yang disebut singularitas. Dengan berjalannya waktu materi mulai terbentuk dan suhu mulai turun sehingga interaksi mulai terpisah hingga menjadi empat interaksi dasar inilah yang diyakin oleh fisikawan saat ini.

Pada tahun 1933, Fritz Zwicky saat mempelajari kelompok galaksi yang dikenal sebagai kelompok Coma Berenices, di dalam daftar Messier disebut M100, menemukan kecepatan delapan galaksi di dalam kelompok koma dan mengukur massa yang dibutuhkan oleh galaksi ini untuk tetap terikat pada kelompoknya secara gravitasional. Ketika ia membandingkan  massa itu dengan penghitungan massa kelompok berdasar cahaya yang dipancarkannya. Hasilnya, massa yang jauh lebih besar dibutuhkan untuk menjaga agar kelompok tidak terpencar. Zwicky menyebut massa yang hilang ini sebagai “dunkle matter”. Penghitungannya menunjukkan bahwa harus ada lebih dari sekedar materi gelap daripada materi biasa di dalam kelompok coma. Hasil yang menggegerkan ini diabaikan oleh ahli astrofisika lain selama lebih dari 40 tahun. Sumbangan besar berikutnya diberikan oleh Vera Rubin dan W.K Ford pada tahun 1970, yang pertama kali mempelajari rotasi M31 (galaksi Andromeda) lalu lebih dari 60 galaksi spiral lainnya. ternyata semua galaksi ini berotasi lebih cepat daripada yang bisa didukung oleh massa yang kasat matanya, sekali lagi ini menunjukkan adanya massa tak kasat mata. Kedua hasil penelitian ini kemudian menguatkan keberadaaan materi gelap.

Dengan menyesuaikan model teoritis komposisi alam semesta dengan kumpulan pengamatan kosmologis gabungan, para ilmuwan telah menemukan komposisi alam semesta yang terdiri atas 68% energi gelap, 27% materi gelap, dan 5% materi normal ( materi yang bisa diamati). Sampai saat ini materi gelap belum bisa dideteksi secara langsung dengan peralatan percobaan yang ada, sehingga belum diketahui secara pasti partikel penyusun materi gelap. Energi gelap dan materi gelap diamati secara tidak langsung dengan mengamati efek gravitasi mereka terhadap galaksi dan juga melalui pengamatan radiasi latar belakang.

Gambar diatas merupakan tabrakan antara gugus galaksi kluster Pandora yang berjarak 3,5 tahun cahaya yang ditangkap dalam gambar komposit oleh teleskop Abell 2744. Warna biru merupakan pusat konsentrasi massa yang diduga mayoritas tersusun oleh materi gelap.

Berdasarkan model Lamda Cold Dark Matter (LDCM) yang diterima saat ini dalam menjelaskan asal mula dan evolusi alam semesta. Materi gelap dan energi gelap mendominasi di saat-saat awal pada saat setelah big bang terjadi. Materi gelap dan energi gelap diduga menyebabkan terjadinya perlambatan dan percepatan pengembangan alam semesta.

Kehadiran materi gelap dan energi gelap menyebabkan model standar fisika partikel perlu untuk dimodifikasi. Dalam modifikasi model baru ini, perlu untuk memasukkan materi gelap dan energi gelap dalam sistem klasifikasinya. Dengan demikian diperlukan teori unifikasi baru yang lebih fundamental namun tetap harus memasukkan model standar di dalamnya.

Saat ini terdapat dua teori unifikasi yang sedang terus dikembangkan dalam mencari teori unifikasi fundamental yaitu Teori M dan MSSM (Minimal supersymmetry Standar Model).

Teori M dikemukakan oleh fisikawan Princeston bernama Edward Witten. Witten mengatakan M mengandung arti kekuatan sihir, misteri, atau membrane tergantung selera.  Disebut misteri karena memang masih banyak hal yang belum mereka ketahui tentang teori M dan sampai saat ini belum diketahui bentuk persamaan dari teori string. Teori ini disebut juga sebagai teori string/dawai karena teori ini menganggap bahwa struktur terkecil dari materi bukanlah titik melainkan garis. Jadi menurut teori ini partikel-partikel elementer seperti electron memiliki struktur terkecil berupa dawai yang terus bergetar dengan frekuensi tertentu. Teori string sendiri berusaha memasukan gravitasi ke dalam model standar fisika partikel sebagai interaksi ke-empat. Atau dengan kata lain teori string ingin mengkuantisasi gravitasi. Sampai saat ini teori string masih digunakan karena teori ini masih konsisten secara matematis dalam prediksinya namun eksperimen untuk membuktikan kesahihan teori ini belum bisa dilakukan saat ini dengan peralatan percobaan yang ada karena teori string bekerja dalam dimensi tinggi yaitu minimal 10 dimensi. Kehadiran dimensi yang besar dalam teori string sebenarnya merupakan tuntutan matematika supaya gravitasi bisa dimasukkan dalam empat interaksi dasar. Meskipun pada hakekatnya kita tahu bahwa kita hidup dalam empat dimensi saja yaitu panjang, lebar, tinggi, dan waktu. Usaha-usaha untuk membuat teori string bekerja di dimensi empat banyak dilakukan namun menemui kegagalan secara matematik.    

MSSM merupakan perluasan dari model standar. Dalam model ini setiap partikel dalam model standar memiliki pasangan super yang belum ditemukan. Pasangan super ini diduga adalah materi gelap, sehingga menemukan superpartikel ini dapat membantu menjawab pertanyan bahan apa yang menyusun materi gelap. Namun masalahnya sampai saat ini pasangan super belum ditemukan sehingga diperkirakan superpartikel memiliki berat 100 hingga 1000 kali dari proton sehingga dibutuhkan energi akselerator yang besar untuk bisa menghasilkan superpartikel. Karena partikel dengan pasangan supernya tidak bermassa sama maka diduga alam semesta ini tidak super simetri/ super simetri rusak karena memang tidak ada divergensi yang kuadratik.

MSSM diusulkan pada tahun 1981 untuk memecahkan masalah hierarki. Pada saat itu dengan menggunakan model standar para fisikawan belum dapat menentukan apa yang mengisi energi desert seperti yang terlihat pada skala energi di samping. Dengan menggunakan MSSM mereka berspekulasi bahwa energi desert tersebut diisi oleh superpartikel. Keunggulan lain dari MSSM adalah model ini dapat menyatukan interaksi elektro lemah dengan interaksi kuat dengan bantuan superpartikel yang diduga merupakan materi gelap. Menurut MSSM titik unifikasi terjadi di pada energi 10¹⁵ GeV sehingga model ini belum bisa diuji karena peralatan yang ada sekarang baru bisa menghasilkan energi tertinggi sebesar 13000 GeV.

 

Jadi teori unifikasi sangat diperlukan dalam mempelajari kondisi awal saat alam semesta kita terbentuk. Pada saat itu fisikawan meyakini bahwa dengan keadaan energi yang sangat tinggi yaitu 10¹⁹GeV, semua interaksi dasar dapat dijelaskan oleh satu teori tunggal. Teori tunggal ini yang saat ini sedang dicari bentuknya oleh para fisikawan teoretis.   

Sumber tambahan: 

Wiggins, A & Wynn, C. 2003. The Five Biggest Unsolved Problems in Science. Apsari, A & Rudyanto.2004. Bandung: PT Intan Sejati.

https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy

https://getpocket.com/explore/item/why-is-m-theory-the-leading-candidate-for-theory-of-everything

https://www.quantamagazine.org/why-is-m-theory-the-leading-candidate-for-theory-of-everything-20171218/

https://www.space.com/string-theory-11-dimensions-universe.html

https://www.earth.com/earthpedia-articles/m-theory/

Sumber gambar:

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Standard_Model_of_Elementary_Particles_dark.svg

https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy 

https://getpocket.com/explore/item/why-is-m-theory-the-leading-candidate-for-theory-of-everything                                                                                                                                                                                                                

Tweet

Subscribe to receive free email updates: