Kandidat Dark Matter Teratas Kalah dari Pesaing Terkecil

 

Fisikawan telah lama mencari hipotesis partikel materi gelap yang disebut WIMPs. Sekarang, fokus mungkin bergeser ke axion - partikel ultra-ringan yang keberadaannya akan memecahkan dua misteri sekaligus.

 

Anehnya, sebagian besar bobot alam semesta bisa datang dalam bentuk partikel yang miliaran kali lebih ringan daripada elektron - sebuah kelas bulu itu sendiri, seiring dengan berjalannya partikel. Mengalir melalui kosmos dalam gerombolan tebal, partikel "sumbu" tipis ini dapat menghasilkan pukulan kolektif sebagai materi gelap yang hilang yang tampaknya lebih besar daripada semua materi yang terlihat 6 banding 1.

Selama beberapa dekade, fisikawan telah mencari saingan utama axion: kandidat materi gelap yang lamban dan jauh lebih berat yang dikenal sebagai WIMP (untuk "partikel masif yang berinteraksi dengan lemah"). Tetapi eksperimen WIMP tetap dengan tangan kosong saat para peneliti mendekati tepi bidang pencarian mereka, sementara perburuan axion baru saja dimulai.

“Materi gelap masih bisa menjadi WIMP, tetapi setiap hari tampaknya sedikit lebih kecil kemungkinannya,” kata Ben Safdi , fisikawan di Universitas Michigan yang berspesialisasi dalam materi gelap. Axion "adalah jenis kandidat materi gelap terbaik yang kami miliki saat ini," katanya, mengingat yang lain gagal muncul dalam eksperimen.

The Axion Dark Matter Experiment (ADMX) di University of Washington tahun lalu menjadi eksperimen pertama yang cukup sensitif untuk mendeteksi jenis axion yang paling mungkin, dan tim eksperimental baru-baru ini mengumumkan hasil pencarian terbaru mereka. Mereka tidak menangkap axion. Tapi, seperti yang mereka laporkan dalam sebuah makalah yang saat ini sedang ditinjau untuk publikasi di Physical Review Letters , mereka mampu mengesampingkan petak massa sumbu yang mungkin empat kali lebih lebar daripada rentang massa yang mereka jelajahi dalam menjalankan pertama mereka. ADMX terus menyapu tempat-tempat di mana axion kemungkinan besar bersembunyi. "Mereka memimpin dakwaan," kata Safdi.

Axion menarik orang percaya karena bisa memecahkan dua teka-teki sekaligus. Kehadirannya yang tidak terlihat akan menjelaskan mengapa alam semesta bertindak jauh lebih berat daripada yang terlihat. Dan partikel itu juga akan menunjukkan mengapa dua gaya fundamental yang membentuk inti atom mengikuti buku aturan yang berbeda - itulah sebabnya fisikawan pertama kali merancang sumbu, pada tahun 1970-an.

Teka-teki adalah bahwa gaya nuklir kuat mengatur partikel di dalam neutron, yang dikenal sebagai quark, sehingga muatan keseluruhannya tampaknya tidak pernah miring. Properti ini menampilkan keseimbangan yang aneh pada bagian neutron yang disebut simetri muatan-paritas (CP): Membalikkan muatan setiap quark dan memantulkan semuanya di cermin tidak memengaruhi perilaku neutron. Sebuah neutron dengan muatan miring akan gagal dalam simetri CP, karena memantulkannya akan membalikkan medan listrik relatif terhadap momentum sudut intrinsiknya, efek yang mirip dengan melihat ke cermin dan melihat diri Anda mengenakan sweter di kaki dan celana jeans di tubuh Anda. Neutron nyata terlihat sama di cermin, karena eksperimen menemukan bahwa mereka seragam secara elektrik untuk setidaknya satu bagian dalam satu miliar.

Simetri ini akan baik-baik saja jika fisikawan tidak menemukan pada tahun 1964 bahwa gaya nuklir lemah tidak membaginya: Partikel dua quark yang disebut kaon netral meluruh dengan cara yang dilarang oleh simetri CP. Karena quark terlibat dalam kedua kasus tersebut, para ahli memperkirakan pemutusan simetri gaya lemah akan meluas ke gaya kuat juga. Tiba-tiba distribusi muatan sempurna dari neutron menjadi teka-teki - “masalah CP yang kuat”.

Axion mewakili solusi terdepan, meskipun para ahli teori yang meletakkan dasar untuk itu tidak segera melihat gambaran lengkapnya. "Saya benar-benar menulis persamaan hanya dengan memalsukannya agar berhasil," kata Helen Quinn , yang mengusulkan cara untuk mengembalikan keseimbangan gaya yang kuat bersama dengan Roberto Peccei pada tahun 1977.

Masalah CP kuat bermuara pada nilai tak terduga dari satu konstanta - sudut berlabel θ, atau theta - dalam persamaan yang menggambarkan gaya kuat. Nilainya tampaknya nol, yang membuat muatan neutron tetap sejajar. Tetapi untuk banyak nilai lain yang bisa diambil θ, quark tersesat. Setelah beberapa pemalsuan, Quinn dan Peccei mempromosikan θ dari konstanta menjadi bidang yang menembus ruang, dengan nilai yang secara alami bisa turun ke nol di mana-mana. Quinn membandingkan modelnya dengan topi bowler yang dimiringkan: Sebuah bola dapat mulai dari sudut mana pun di sekeliling pinggiran, tetapi bola akan selalu menggelinding ke bawah. Dua ahli teori lainnya, Steven Weinberg dan Frank Wilezek , segera mengamati bahwa medan Peccei-Quinn membutuhkan sebuah partikel - sebuah eksitasi di lapangan - dan lahirlah axion.

Kemudian, pada 1980-an, pengamatan kecepatan rotasi galaksi dan bukti lain semakin menunjukkan bahwa sejumlah besar materi alam semesta tidak terlihat, berinteraksi dengan segala sesuatu yang lain terutama melalui gravitasinya. Bukti yang berkembang untuk materi gelap mendorong Pierre Sikivie , seorang fisikawan teoritis yang sekarang di Universitas Florida, untuk menghitung seberapa tak terlihat sumbu itu.

Sikivie menjelaskan dalam sebuah wawancara bahwa axion akan menjadi semacam sepupu spiritual bagi foton, tetapi hanya dengan sedikit massa. Karena foton - partikel cahaya dan elektromagnetisme - diatur oleh persamaan Maxwell, Sikivie mengubah teori klasik untuk memasukkan sumbu dan menemukan bahwa sumbu mungkin saja mengemas alam semesta dengan cukup rapat sehingga bisa di tambahkan ke materi gelap yang hilang.

Dia juga menghitung bahwa sumbu tidak akan sepenuhnya tidak terdeteksi; sesekali mereka akan berubah menjadi dua foton. Dia menyadari bahwa menjenuhkan area dengan medan magnet yang kuat (dan dengan demikian banyak foton) akan merangsang peluruhan sumbu, seperti halnya foton meringankan emisi foton lain dalam laser. Juga seperti foton, sumbu sangat mirip gelombang, jatuh pada ujung bergelombang dari dualitas gelombang-partikel. Massa mereka yang sangat kecil membuat mereka gelombang berenergi sangat rendah, dengan panjang gelombang antara bangunan dan lapangan sepak bola.

Sikivie menyadari bahwa kunci untuk membujuk sumbu berenergi rendah ini berubah menjadi foton adalah perangkat yang dapat disetel untuk beresonansi pada panjang gelombang yang sama persis dengan sumbu. Dia membayangkan sebuah mesin yang disebut haloscope yang akan memperkuat sinyal, pada dasarnya berdering seperti lonceng ketika sumbu membusuk.

Menerapkan gagasan Sikivie membutuhkan waktu lebih dari 30 tahun, tetapi ADMX sekarang cukup sensitif untuk mendeteksi sumbu dengan massa yang dianggap paling masuk akal oleh para ahli teori, bahkan jika partikelnya membusuk pada laju teoretis terendah. Dengan magnet kuat yang berada di lemari es yang dingin hampir mencapai nol absolut, ADMX perlahan menyesuaikan resonansinya dan memindai sumbu. Seberapa sering magnet dapat mengubah sumbu menjadi dua foton tidak diketahui, tetapi dengan kuadriliun sumbu yang berpotensi melewati eksperimen setiap detik, deteksi akan menjadi jelas dengan cepat.

Dalam menjalankan pertamanya, dilaporkan tahun lalu, percobaan di pindai dari 0,65 hingga hampir 0,68 gigahertz untuk mencari daya berlebih dari foton yang menghasilkan sumbu; tahun ini kolaborasi berlanjut hingga 0,8 gigahertz. Frekuensi ini berarti bahwa percobaan telah mengesampingkan sumbu yang beratnya antara 187 miliar kali dan 151 miliar kali lebih kecil dari elektron, dengan rentang yang lebih luas di masa mendatang. “Kami mulai mengambil bagian yang lebih besar dan lebih besar,” kata Gianpaolo Carosi , anggota kolaborasi.

Grup ini berharap dapat mencapai setidaknya 2 gigahertz selama beberapa tahun ke depan dan berharap pada akhirnya akan mencapai 10 gigahertz, yang akan sesuai dengan sumbu yang 12 miliar kali lebih ringan dari elektron. Perkiraannya bervariasi, tetapi kebanyakan ahli teori mengatakan sumbu yang melakukan tugas ganda karena materi gelap dan pemecah neutron harus berada di suatu tempat dalam kisaran itu.

Jika tidak mendengar apa pun selain statis, ADMX tidak akan menyangkal keberadaan axions. Frekuensi beberapa gigahertz cocok dengan skema materi gelap yang paling sederhana, tetapi beberapa ahli teori telah membuat resep yang lebih rumit. Dan jika materi gelap adalah campuran sumbu dan sesuatu yang lain, sumbu dapat menjangkau rentang massa yang melebihi 10 kali lipat.

Tetapi karena kandidat materi gelap lain yang menjanjikan gagal terwujud, lebih banyak kelompok eksperimental beralih ke axion. Beberapa mengembangkan perangkat magnet terestrial seperti ADMX, sementara yang lain berencana untuk memindai gelombang radio yang berasal dari magnet terkuat di alam - bintang neutron. Bersama-sama, tim-tim ini suatu hari nanti dapat mencakup sebagian besar frekuensi yang mungkin.

Sebuah penemuan akan secara permanen menulis ulang hukum fisika partikel dan kosmologi, tetapi saat ini sumbu tetap sepenuhnya bersifat hipotesis. Quinn hanya merasa tersanjung karena renungannya telah meluncurkan pesta pencarian yang hebat. "Roberto dan saya menghabiskan beberapa bulan untuk memoles teori ini," katanya, "dan sekarang para eksperimentalis telah menghabiskan 40 tahun untuk mencarinya."