Sepuluh tahun yang lalu, penemuan Partikel Dewa mengantarkan era baru fisika eksperimental

Ilmuwan mengumumkan sepuluh tahun lalu Penemuan Higgs boson, yang membantu menjelaskan mengapa partikel elementer (blok bangunan terkecil di alam) memiliki massa. Bagi fisikawan partikel, ini adalah akhir dari perjalanan panjang dan sangat sulit selama beberapa dekade – dan bisa dibilang merupakan hasil terpenting dalam sejarah bidang ini. Tetapi akhir ini juga menandai dimulainya era baru fisika eksperimental.

Dalam dekade terakhir, pengukuran sifat-sifat boson Higgs telah mengkonfirmasi prediksi Model Standar Fisika Partikel (Teori partikel terbaik kami). Tetapi juga menimbulkan pertanyaan tentang keterbatasan model ini, seperti apakah ada teori alam yang lebih mendasar.


Fisikawan Peter Higgs. Kredit gambar: Wikipedia (CC BY-SA)

fisik Peter Higgs Higgs boson diprediksi dalam serangkaian makalah antara tahun 1964 dan 1966, sebagai konsekuensi tak terelakkan dari mekanisme yang bertanggung jawab untuk memberikan partikel massa dasar. Teori ini menyatakan bahwa massa partikel adalah hasil interaksi partikel elementer dengan medan yang disebut medan Higgs.

Menurut model yang sama, medan ini juga harus memunculkan partikel Higgs – yang berarti bahwa jika boson Higgs tidak ada, pada akhirnya akan memalsukan seluruh teori.

Tetapi segera menjadi jelas bahwa mendeteksi partikel ini akan sulit. Ketika tiga fisikawan teoretis menghitung sifat-sifat boson Higgs, Akhiri dengan permintaan maaf: “Kami meminta maaf kepada para ahli eksperimental karena tidak tahu tentang massa Higgs boson… dan karena tidak yakin tentang penggabungannya dengan partikel lain… karena alasan ini, kami tidak ingin mendorong pencarian eksperimental besar-besaran dari Higgs bos.”

Menemukan Higgs boson

Percobaan pertama mengambil kesempatan besar untuk menemukan boson Higgs hingga tahun 1989 untuk memulai penelitian. Idenya adalah untuk menghancurkan partikel dengan energi tinggi sehingga partikel Higgs dapat dibuat dalam terowongan sepanjang 27 km di CERN di Jenewa, Swiss – elektron-positron terbesar (positron hampir identik dengan elektron tetapi memiliki muatan yang berlawanan) tabrakan yang pernah dibuat. Itu berlangsung selama 11 tahun, tetapi ternyata energi maksimumnya hanya 5% lebih rendah untuk menghasilkan boson Higgs.

READ  Cincin di kawah 'tunggul pohon' yang ditemukan di Mars menerangi iklim masa lalu planet merah

Sementara itu, penumbuk paling ambisius Amerika dalam sejarah, dan Tevatron, mengambil data di Fermilab, dekat Chicago. Tevatron bertabrakan dengan proton (yang membentuk inti atom bersama dengan neutron) dan antiproton (hampir identik dengan proton tetapi dengan muatan yang berlawanan) dengan energi lima kali lebih tinggi daripada yang dicapai di Jenewa—tentu saja, cukup untuk membuat Higgs. Tapi tabrakan proton dan antiproton menghasilkan banyak puing, yang membuat ekstraksi sinyal dari data menjadi lebih sulit. Pada tahun 2011, operasi Tevatron berhenti – Higgs boson telah lolos dari deteksi lagi.

Pada tahun 2010, Collider Hadron Besar Itu mulai bertabrakan dengan proton dengan energi tujuh kali lipat dari Tevatron. Akhirnya, pada 4 Juli 2012, dua eksperimen independen di CERN mengumpulkan data yang cukup untuk mengumumkan penemuan Higgs boson. Tahun berikutnya, Higgs dan kolaboratornya François Englert memenangkan Hadiah Nobel “Untuk penemuan teoritis tentang mekanisme yang berkontribusi pada pemahaman kita tentang asal usul massa partikel subatom.”

Ini hampir menjualnya pendek. Tanpa Higgs boson, seluruh kerangka teori yang menjelaskan fisika partikel pada skala terkecilnya akan hancur. Partikel dasar tidak akan memiliki massa, dan tidak akan ada atom, tidak ada manusia, tidak ada tata surya, tidak ada struktur di alam semesta.

Masalah di cakrawala

Namun, penemuan ini telah menimbulkan pertanyaan mendasar baru. Eksperimen berlanjut di CERN yang menyelidiki boson Higgs. Sifatnya menentukan tidak hanya massa partikel elementer, tetapi juga stabilitasnya. Seperti berdiri, hasilnya menunjukkan bahwa alam semesta kita tidak dalam jangkauan Kondisi benar-benar stabil.

Atau, mirip dengan es pada titik lelehnya, alam semesta tiba-tiba dapat mengalami “transisi fase” yang cepat. Tapi alih-alih berubah dari padat ke cair, seperti es ke air, ini akan melibatkan perubahan penting dalam massa — dan hukum alam di alam semesta.

READ  Para peneliti menemukan ketidakseimbangan antara energi yang dilepaskan dari Mars dan energi musiman

Fakta bahwa alam semesta tetap tampak stabil menunjukkan bahwa ada sesuatu yang mungkin hilang dalam perhitungan – sesuatu yang belum kita temukan.

Setelah tiga tahun jeda pemeliharaan dan peningkatan, tabrakan di Large Hadron Collider akan berlanjut dengan energi yang belum pernah terjadi sebelumnya, hampir dua kali lipat yang digunakan untuk menemukan Higgs boson. Ini dapat membantu menemukan partikel yang hilang yang menggerakkan alam semesta kita menjauh dari ujung pisau antara stabilitas dan transisi kecepatan.

Pengalaman dapat membantu menjawab pertanyaan lain juga. Mungkinkah sifat unik Higgs boson menjadikannya pintu gerbang penemuan materi gelap, materi tak kasat mata yang menyusun sebagian besar materi di alam semesta? Materi gelap tidak dibebankan. Dan Higgs boson Dia memiliki cara yang unik untuk berinteraksi Dengan bahan yang tidak bermuatan.

Sifat unik yang sama membuat fisikawan bertanya-tanya apakah boson Higgs mungkin bukan partikel fundamental. Mungkinkah ada kekuatan baru yang tidak diketahui yang melampaui kekuatan alam lainnya – gravitasi, elektromagnetisme, kekuatan nuklir lemah dan kuat? Mungkinkah gaya yang mengikat partikel yang sampai sekarang tidak diketahui ke benda majemuk yang kita sebut Higgs boson?

Teori semacam itu dapat membantu menyelesaikan perselisihan Hasil pengukuran terbaru Yang menunjukkan bahwa beberapa partikel tidak berperilaku seperti yang disarankan Model Standar. Jadi mempelajari Higgs boson sangat penting untuk melihat apakah ada fisika yang dapat ditemukan di luar Model Standar.

penentu

Pada akhirnya, Large Hadron Collider akan memiliki masalah yang sama dengan Tevatron. Tabrakan proton kacau dan energi tumbukannya hanya akan sampai sejauh ini. Meskipun kami memiliki persenjataan lengkap fisika partikel modern – termasuk detektor canggih, metode deteksi canggih, dan pembelajaran mesin – yang kami miliki, ada batasan untuk apa yang dapat dicapai oleh Large Hadron Collider.

READ  Mengapa tabung wombat berbentuk kubus

Penumbuk berenergi tinggi masa depan, yang dirancang khusus untuk menghasilkan boson Higgs, akan memungkinkan kita mengukur secara akurat sifat-sifat terpentingnya, termasuk bagaimana boson Higgs berinteraksi dengan boson Higgs lainnya. Ini, pada gilirannya, akan menentukan bagaimana boson Higgs berinteraksi dengan medannya sendiri. Jadi mempelajari interaksi ini dapat membantu kita menyelidiki proses fundamental yang memberikan massa partikel. Setiap ketidaksepakatan antara prediksi teoretis dan pengukuran masa depan Ini akan menjadi tanda yang sangat jelas Kita perlu menemukan fisika yang benar-benar baru.

Pengukuran ini akan memiliki dampak mendalam jauh melampaui fisika Collider, mengarahkan atau membatasi pemahaman kita tentang asal usul materi gelap, kelahiran alam semesta kita — dan mungkin nasib akhirnya.

Martin Power Profesor Fisika di Universitas Durham. Stephen Jones Asisten Profesor Fisika di Universitas Durham.

Artikel ini pertama kali muncul di Percakapan.

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *