PROBACA.COM – Bagaimana kalau kita bisa mengintip isi alam semesta beberapa mikrodetik setelah Big Bang? Bukan dengan mesin waktu, tentu saja. Para fisikawan mencoba melakukannya dengan cara yang lebih ekstrem: menabrakkan inti atom hampir secepat cahaya di Large Hadron Collider (LHC) milik CERN, Swiss.
Tabrakan itu menghasilkan setitik materi superpanas yang disebut plasma quark-gluon. Wujudnya hanya bertahan kurang dari sepersejuta triliun detik, tetapi materi singkat ini dipercaya mirip dengan “bahan masakan” alam semesta pada masa paling awal.
Kini, tim CERN yang dipimpin para fisikawan MIT menemukan bukti jelas bahwa quark—partikel penyusun proton dan neutron—bisa meninggalkan jejak berupa riak di dalam plasma tersebut. Bayangkan seekor bebek melaju di kolam dan meninggalkan gelombang di belakangnya. Kira-kira seperti itulah gambaran yang mereka lihat, hanya saja “kolamnya” berupa materi dengan suhu beberapa triliun derajat Celsius.
Temuan ini menjadi bukti langsung pertama bahwa plasma quark-gluon merespons partikel yang melintas sebagai satu kesatuan fluida. Jadi, plasma itu bukan sekadar kerumunan partikel yang saling bertabrakan secara acak. Ia dapat menghasilkan gelombang, cipratan, dan pusaran—lebih mirip cairan daripada sekumpulan bola kecil yang bertebaran.
“Sudah lama ada perdebatan di bidang kami tentang apakah plasma akan merespons sebuah quark,” kata Yen-Jie Lee, profesor fisika di MIT. Menurut Lee, plasma tersebut ternyata sangat rapat sehingga mampu memperlambat quark dan menghasilkan cipratan serta pusaran seperti cairan.
“Jadi, plasma quark-gluon benar-benar merupakan sup primordial,” ujarnya.
Plasma quark-gluon diperkirakan merupakan cairan pertama di alam semesta. Ia juga menjadi cairan terpanas yang pernah diketahui, dengan suhu mencapai beberapa triliun derajat Celsius selama keberadaannya yang sangat singkat. Para ilmuwan bahkan menyebutnya sebagai cairan yang nyaris “sempurna”, karena quark dan gluon di dalamnya bergerak bersama dengan sangat mulus dan hampir tanpa gesekan.
Gluon sendiri adalah partikel yang berperan “merekatkan” quark. Dalam kondisi biasa, quark dan gluon terkunci di dalam partikel seperti proton dan neutron. Namun, dalam tabrakan ion berat berenergi sangat tinggi, keduanya bisa terpisah sesaat dan membentuk tetesan kecil plasma quark-gluon.
Pemahaman tentang perilaku plasma ini salah satunya dipandu oleh model yang dikembangkan Krishna Rajagopal, William A. M. Burden Professor of Physics di MIT, bersama para kolaboratornya. Model yang dikenal sebagai hybrid model itu memprediksi bahwa plasma akan bertindak seperti fluida ketika partikel berenergi tinggi melintas di dalamnya.
Menurut model tersebut, semburan quark yang melaju cepat akan mengusik plasma di sekelilingnya. Gangguan itu meninggalkan “wake”—jejak gelombang di belakang partikel—yang membuat materi plasma beriak dan terciprat.
Masalahnya, jejak seperti itu tidak mudah dilihat. Dalam pencarian sebelumnya, fisikawan sering mengamati pasangan quark dan antiquark. Antiquark adalah pasangan quark dengan sejumlah sifat yang sama besar, tetapi tandanya berlawanan.
Ketika quark melaju melalui plasma, antiquark bisa terbentuk dan bergerak dengan kecepatan sama ke arah berlawanan. Para peneliti kemudian berharap dapat mendeteksi riak dari kedua partikel tersebut. Namun, dua jejak yang saling tumpang tindih justru membuat pengamatan menjadi kacau.
“Ketika dua quark dihasilkan, masalahnya adalah quark yang satu menutupi wake dari quark yang lain,” kata Lee.
Tim Lee lalu mencari cara untuk mengisolasi jejak satu quark saja. Kuncinya adalah menggunakan pasangan partikel yang berbeda, yakni quark dan boson Z.
Boson Z merupakan partikel elementer netral yang berkaitan dengan gaya lemah, salah satu gaya fundamental alam. Partikel ini hanya sedikit berinteraksi dengan plasma di sekitarnya, sehingga bisa berfungsi seperti penanda yang bersih. Boson Z juga muncul pada tingkat energi khas, sehingga relatif mudah dikenali oleh fisikawan.
Para peneliti menggunakan eksperimen CMS, salah satu detektor partikel serbaguna di LHC. CMS merupakan singkatan dari Compact Muon Solenoid dan dioperasikan oleh CMS Collaboration, kelompok internasional yang terdiri dari fisikawan partikel dari berbagai negara.
Dalam beberapa peristiwa tumbukan ion timbal, sebuah quark dan boson Z dapat tercipta bersamaan dengan momentum tinggi. Keduanya kemudian melesat hampir ke arah berlawanan. Quark berinteraksi dengan plasma dan meninggalkan wake, sedangkan boson Z melintas tanpa banyak mengganggu materi di sekitarnya.
Situasi ini ibarat melihat perahu motor dan balon dilepas bersamaan di kolam. Perahu membuat gelombang, sementara balon hampir tidak mengusik permukaan air. Kalau ada riak di sisi lintasan perahu, lebih mudah menyimpulkan bahwa riak itu berasal dari perahu.
Dengan cara tersebut, gelombang yang muncul di sisi quark dapat dikaitkan dengan quark itu sendiri, bukan dengan partikel kedua yang ikut membuat gangguan. Metode baru inilah yang memungkinkan tim mengidentifikasi tanda-tanda wake dari satu quark dalam plasma quark-gluon.
Para peneliti berencana menerapkan teknik ini pada lebih banyak data tumbukan partikel. Mereka ingin mengukur seberapa besar wake yang terbentuk, seberapa cepat ia bergerak, seberapa jauh jangkauannya, dan berapa lama waktu yang dibutuhkan sampai menghilang.
Ukuran-ukuran itu dapat membantu mengungkap sifat penting plasma quark-gluon. Pada akhirnya, informasi tersebut juga bisa memberi petunjuk tentang perilaku materi pada mikrodetik-mikrodetik pertama setelah alam semesta dimulai.
“Mempelajari bagaimana wake quark memantul bolak-balik akan memberi kita wawasan baru tentang sifat plasma quark-gluon,” kata Lee. “Dengan eksperimen ini, kami mengambil snapshot dari sup quark primordial tersebut.”
Hasil penelitian ini dipublikasikan secara terbuka di jurnal Physics Letters B. Jadi, meski “sup” alam semesta itu sudah lama lenyap, riak kecil yang ditinggalkannya masih bisa dibaca—seperti bekas gelombang di permukaan air yang membantu kita menebak apa yang baru saja melintas.
Nah, inti temuannya bukan cuma bahwa quark bisa bergerak di dalam plasma purba. Quark ternyata bisa mengaduknya—dan dari riak itulah para ilmuwan mulai membaca bagaimana alam semesta pertama kali berperilaku.
***
DISCLAIMER: Sebagian proses pengolahan artikel ini dibantu oleh teknologi AI. Pembaca disarankan memverifikasi kembali data dan informasi melalui sumber resmi atau sumber primer
Disadur dari ScienceDaily
