Akankah kita mengetahui apa dark matter itu?

Pencarian materi yang sulit dipahami sampai pada batasnya

Bagi kebanyakan astronom, materi gelap adalah nyata seperti bintang dan planet. Kami secara rutin membangun peta distribusinya. Kita membayangkan galaksi sebagai potongan-potongan materi gelap dengan banyak diselingi dengan materi bercahaya. Kami memahami pembentukan struktur kosmik dan evolusi seluruh Semesta secara keseluruhan dari sudut pandang materi gelap. Namun, lebih dari satu dekade pencarian canggih, tidak ada yang bisa secara langsung mendeteksi materi gelap. Kita melihat bayangan yang dilemparkan olehnya, tetapi kita tidak tahu apa yang mungkin bersembunyi di bagian gelap alam semesta.

Ini jelas bukan benda atau partikel biasa - opsi ini telah lama dikesampingkan. Argumen teoretis berbicara tentang jenis partikel baru yang berinteraksi lemah dengan materi biasa. Sejumlah besar partikel seperti itu harus melewati planet kita setiap saat, dan kita harus berharap bahwa beberapa di antaranya akan meninggalkan jejak. Fisikawan menumbuhkan kristal, mengisi tangki cryogenic, menguburnya jauh di bawah tanah untuk mengecualikan partikel biasa, dan mencari gelombang panas kecil dan kilatan cahaya yang seharusnya memberikan sesuatu yang belum pernah kita lihat sebelumnya. Dan sejauh ini, hasilnya tidak menggembirakan. Di Lead, South Dakota, percobaan LUX berjalan satu setengah mil di bawah tanah di tambang emas yang ditinggalkan. Dan saya tidak menemukan apa pun. Di Cina, percobaan PandaX di Laboratorium Bawah Tanah Jin-Ping berjalan di terowongan di bawah lapisan batu setebal 2,4 km. Dia tidak menemukan apa pun. Di terowongan jalan dekat Frejus di Pegunungan Alpen Prancis, percobaan EDELWEISS, yang beroperasi pada kedalaman 1,7 km, tidak menemukan apa pun. Daftar ini berlanjut.



Hasil nol dengan cepat mempersempit area ruang parameter di mana materi gelap dapat disembunyikan. Karena kurangnya data, fisikawan teoretis mulai mengemukakan teori tentang partikel yang lebih eksotis, tetapi sebagian besar kandidat ini bahkan akan lebih sulit untuk dideteksi. Orang sebaliknya bisa berharap untuk mendapatkan partikel materi gelap di akselerator partikel, dan dengan demikian menarik kesimpulan tentang kehadiran mereka: dengan melihat apakah energi itu hilang dalam tumbukan partikel. Tetapi Large Hadron Collider melakukan hal itu, dan sejauh ini belum menemukan yang seperti itu. Beberapa ahli teori menduga bahwa tidak ada materi gelap, dan teori gravitasi kita - teori relativitas umum Einstein - telah membuat kita tersesat. GTR memberi tahu kita bahwa galaksi akan terbang terpisah jika tidak disatukan oleh materi tak kasat mata, tetapi mungkin teori ini salah. Namun, relativitas umum melewati semua pemeriksaan yang dapat diamati, dan semua teori yang bersaing memiliki kelemahan fatal.

Delapan puluh lima persen dari semua materi tidak kita ketahui. Yang terpenting, kami khawatir hal itu akan selalu terjadi.

Meskipun sebagian besar percobaan tidak menghasilkan apa-apa, dua dari mereka mengklaim telah menemukan materi gelap. Kedua pernyataan itu sangat kontroversial, tetapi karena berbagai alasan. Mereka mungkin salah, tetapi patut dipertimbangkan dengan cermat. Kasus-kasus ini, setidaknya, menunjukkan sulitnya menemukan materi gelap di antara placers of space.

Detektor partikel DAMA / LIBRA di Laboratorium Nasional Gran Sasso, yang terletak di sebuah terowongan 1,4 km di bawah permukaan gunung di Italia utara, sedang mencari kilatan cahaya yang dihasilkan oleh partikel materi gelap yang tersebar dari inti atom dalam kristal natrium iodida . Dia telah mengumpulkan data selama tiga belas tahun dan merekam sesuatu yang tidak biasa. Jumlah deteksi partikel meningkat dan menurun secara musiman; maksimum pada bulan Juni, dan minimum pada bulan Desember.

Perilaku seperti inilah yang bisa diharapkan dari materi gelap. Diyakini bahwa itu membentuk awan luas yang menyelimuti galaksi Bima Sakti. Tata surya kita secara keseluruhan bergerak melalui awan ini. Tetapi masing-masing planet bergerak melalui awan dengan kecepatan yang berbeda karena gerakan orbitnya mengelilingi matahari. Kecepatan Bumi relatif terhadap awan yang diusulkan mengalami maksimum pada bulan Juni dan minimum pada bulan Desember. Ini akan menentukan kecepatan di mana partikel materi gelap terbang melalui detektor yang terletak di Bumi.

Tidak ada yang menyangkal bahwa DAMA mendeteksi modulasi musiman dengan signifikansi statistik yang sangat tinggi. Tetapi banyak sumber partikel lain juga berfluktuasi karena musim - misalnya, aliran air tanah (mempengaruhi radioaktivitas latar belakang) atau produksi partikel seperti muon di atmosfer. Menurut perkiraan terbaru, lima percobaan lain di seluruh dunia membatasi negara yang tidak konsisten dengan klaim DAMA. Satu-satunya cara untuk memverifikasi hasil adalah mengulangi percobaan dengan detektor yang sama di tempat lain, dan beberapa percobaan seperti itu sudah disiapkan. Salah satunya akan berlokasi di Kutub Selatan, di mana efek lokal musiman berada di luar fase dan berbeda dari yang ada di Italia.

Petunjuk kedua yang menarik tentang materi gelap datang dari eksperimen tidak langsung, yang mencari bukan untuk partikel yang sulit ditangkap secara langsung, tetapi untuk partikel sekunder yang mereka seharusnya hasilkan setelah saling bertabrakan dan penghancuran berikutnya. Pada tahun 2008, detektor PAMELA (Muatan untuk Antimateri / Eksplorasi Materi dan Astrofisika-Inti Cahaya), dipasang pada satelit Rusia Resurs-DK , dan dibuat oleh spesialis dari Rusia, Italia, Jerman dan Swedia, mengamati sebuah besar tak terduga jumlah positron - analog elektron dalam antimateri - berasal dari kedalaman ruang. Pengamatan baru-baru ini dikonfirmasi oleh spektrometer alfa magnetik yang terletak di papan ISS. Sementara itu, teleskop gamma ruang angkasa Fermi melaporkan tentang cahaya sinar gamma yang tersebar yang menyebar dari pusat galaksi. Bentuknya sesuai dengan materi gelap - simetris bola sehubungan dengan pusat galaksi, dengan intensitas meningkat ke arah tengah.

Hampir terlalu bagus untuk menjadi kenyataan. Sayangnya, pengamatan positron dan sinar gamma juga dapat dijelaskan dengan bintang neutron yang berputar cepat, pulsar milidetik. Parameter positron tidak sesuai dengan kandidat yang cocok untuk materi gelap. Untuk menangani kasus ini, perlu untuk memeriksa apakah positron berasal dari arah bintang neutron yang diketahui. Fluktuasi sinar gamma telah dikaitkan dengan banyak pulsar lemah di pusat galaksi. Juga, jika sinar gamma berasal dari materi gelap, para astronom harus mendeteksi sinyal serupa yang berasal dari galaksi kerdil tetangga, yang memiliki volume materi gelap yang secara proporsional lebih besar daripada kita. Tidak ada sinyal yang terdeteksi.

Sebagian besar upaya pencarian berfokus pada kandidat partikel paling sederhana, yang dikenal sebagai WIMP , yang berinteraksi lemah dengan partikel masif. Kata "lemah" di sini memiliki makna ganda: interaksi tidak kuat, dan terjadi melalui apa yang disebut. interaksi nuklir lemah . Partikel seperti itu merupakan perpanjangan alami dari Model Standar dalam fisika partikel. Tanpa mengetahui semua detailnya, dari kata keterangan "lemah" Anda dapat memahami berapa banyak partikel seperti itu di alam semesta. Dalam sup prasejarah panas Dentuman Besar, partikel-partikel secara alami diciptakan dan dihancurkan. Dengan perluasan Alam Semesta, suhu turun, dan berbagai jenis partikel, satu demi satu, tergantung pada massa, berhenti muncul. Partikel dapat terus dihancurkan dengan kecepatan tergantung pada kekuatan interaksi, sampai mereka didistribusikan terlalu jarang untuk saling bertabrakan.

Mengingat kekuatan interaksi WIMP, dimungkinkan untuk melakukan perhitungan dan menemukan bahwa jumlah materi gelap yang dapat diamati harus muncul dalam kuali Alam Semesta awal. Partikel yang dihasilkan harus berbobot ratusan kali lebih banyak daripada proton. Dari perhitungan yang terkait dengan Model Standar dan supersimetri, keberadaan zona parameter yang cocok untuk partikel materi gelap berikut - fakta ini disebut "keajaiban WIM".

Tapi mungkin inilah kasusnya ketika sebuah fakta buruk membunuh hipotesis yang indah. Keputusasaan tumbuh di antara para fisikawan, dan mereka sudah mengeksplorasi pilihan yang sebelumnya dianggap sebagai peluang kelas dua dan tidak mungkin.

Mungkin partikel materi gelap sangat besar. Ada kompromi alami - semakin besar partikelnya, semakin sedikit yang dibutuhkan untuk mencocokkan total massa yang diamati oleh para astronom, sehingga bisa ada sangat sedikit sehingga detektor kami tidak melihatnya. Fisikawan akan membutuhkan strategi pencarian yang sama sekali berbeda, mungkin terkait dengan pengaruh partikel-partikel ini pada bintang neutron tua atau benda langit lainnya.

Sebaliknya, partikel materi gelap mungkin terlalu terang untuk meninggalkan jejak di detektor kami. Fisikawan dapat menggunakan detektor yang sudah kami miliki untuk pencarian mereka: Matahari. Matahari dapat menangkap partikel ketika bergerak melalui awan galaksi materi gelap. Partikel dapat tersebar oleh proton di Matahari dan mengubah potret suhunya. Ini akan memengaruhi gerakan turbulen dari pusaran gas yang naik, turun, dan berputar di lapisan atas Matahari. Dan kita harus mendeteksi ini dengan bantuan helioseismologi , ilmu yang mempelajari gangguan yang menyebar di dalam Matahari dan efeknya pada permukaannya - seperti halnya seismologi mempelajari gempa bumi. Ternyata dalam helioseismologi ada anomali yang tidak dapat dijelaskan yang sulit untuk didamaikan dengan model standar Matahari.

Jika partikel materi gelap menumpuk di matahari, mereka dapat memusnahkan di intinya. Ini akan mengarah pada munculnya neutrino berenergi tinggi yang dapat dilihat oleh detektor seperti Super Kamiokande di Jepang tengah dan IceCube di Kutub Selatan. Sejauh ini, belum ada laporan acara yang cocok untuk peran ini.

Contoh paling ekstrem dari partikel ringan adalah axion , partikel yang berinteraksi lemah secara hipotetis, dengan massa satu triliun kali lebih kecil dari proton. Tidak akan sepenuhnya gelap, tetapi akan berinteraksi dengan medan elektromagnetik dan akan dapat membuat foton gelombang mikro di dalam palung medan magnet yang kuat. Eksperimen yang mencoba mendeteksi axion telah bekerja sejak 1980-an, dan mereka tidak lebih berhasil daripada detektor WIMP.

Mungkin partikel gelap bukanlah partikel sama sekali, tetapi "partikel", seperti yang dikatakan oleh seorang ahli teori. Non-partikel adalah kerabat jauh dari medan elektromagnetik, yang energinya tidak dibagi menjadi paket-paket terpisah. Mereka dapat meninggalkan jejak tidak langsung dalam data collider. Mungkin esensi materi gelap bukan satu-satunya solusi. Toh, materi biasa juga terdiri dari banyak jenis partikel. Materi gelap juga dapat terdiri dari beberapa peserta, yang akan mempersulit pencarian, karena dugaan tanda-tanda kandidat partikel tertentu akan kabur. Mungkin materi gelap tidak berinteraksi sama sekali kecuali gravitasi. Ini akan membawa kehidupan para peneliti lebih dekat ke mimpi buruk.

Dalam arti tertentu, kita berada dalam situasi yang diimpikan oleh para ilmuwan. Gagasan lama tidak berfungsi, dan gagasan baru diperlukan. Mereka dapat muncul karena mempelajari jenis-jenis partikel baru, atau kita dapat menemukan teori gravitasi baru yang konsisten, yang memungkinkan kita untuk meninggalkan materi gelap.

Tetapi perhatian konstan adalah bahwa alam menyembunyikan fisika baru di mana kita tidak dapat menemukannya. Dan meskipun kami belum benar-benar kehabisan upaya untuk menemukan WIMP, percobaan tidak mampu melakukan lebih banyak lagi. Semakin sensitif mereka terhadap materi gelap, semakin sensitif mereka terhadap partikel sampah, dan tidak selalu dapat membedakan satu sama lain. Pada tingkat perkembangan saat ini, dalam sepuluh tahun mereka akan dibutakan oleh neutrino yang dipancarkan oleh Matahari, atau sinar kosmik yang bertabrakan dengan atmosfer Bumi.


Matahari bisa menjadi pendeteksi alami materi gelap. Perubahan struktur lapisan Matahari di bawah pengaruh materi gelap dapat dideteksi oleh para astronom. Gambar berwarna merah menunjukkan area yang bergerak menjauh dari kita, dan dengan warna biru - yang mendekat.

Dalam hal ini, kami masih dapat melanjutkan upaya deteksi tidak langsung. Salah satu yang paling menjanjikan adalah Cherenkov Telescope Array , koleksi lebih dari ratusan teleskop yang berlokasi di Chili dan di pulau Palma . Di antara tugas-tugas lain, ia akan mencari sinar gamma yang muncul dalam penghancuran partikel materi gelap di galaksi kita dan lainnya. Tetapi pada titik tertentu, strategi pencarian ini akan mengalami masalah lain: biaya. Sejauh ini, detektor materi gelap adalah yang paling ekonomis dari eksperimen fisik dasar, tetapi jika kita perlu meningkatkan ukuran, sensitivitas, dan kompleksitasnya, biayanya dapat melebihi monster seperti Large Hadron Collider (hampir $ 7 miliar) dan teleskop. James Webb (sekitar $ 8 miliar), tanpa jaminan kesuksesan - dan sangat sulit untuk menjual kepada politisi.

Alat terbaik untuk menemukan partikel materi gelap adalah collider baru. Di suatu tempat dalam tiga dekade, fisikawan berencana untuk membangun collider yang melebihi LHC berkuasa beberapa kali. Penelitian sedang dilakukan di Cina dan di Eropa. Menurut perkiraan kasar, biayanya $ 25 miliar dari dolar saat ini. Ini bisa nyata jika beban didistribusikan dari waktu ke waktu dan di antara beberapa negara. Tapi itu sepertinya adalah batasnya. Bahkan jika fisikawan memiliki sumber daya yang tidak terbatas, tidak akan ada lagi keuntungan dari membangun sesuatu yang lebih besar. Lebih lanjut, setiap partikel yang tidak dikenal akan sangat masif sehingga Big Bang tidak bisa menghasilkannya dalam jumlah yang cukup.

Terlepas dari semua upaya luar biasa ini, kami mungkin tidak mendeteksi sinyal. Ini prospek yang agak suram. Mungkin tidak ada materi gelap. Kami terus mencari penyimpangan dari GR. Sejauh ini, tidak ada satu pun yang ditemukan. Sebaliknya, penemuan lubang hitam melalui gelombang gravitasi pada tahun 2016 mendukung teori Einstein - dan, sebagai konsekuensinya, keberadaan materi gelap.

Tetapi ada juga aspek positifnya. Mungkin ada rahasia luar biasa dan penemuan terkait dengan sisi gelap alam yang tidak akan pernah kita temui jika bukan karena pencarian ini. Sementara kami mencari partikel. Dan kita tidak punya pilihan selain melanjutkan.

Joseph Silk adalah seorang kosmologis di Universitas Oxford, juga bekerja di Institute of Astrophysics di Paris dan Universitas. John Hopkins. Pelopor penelitian di bidang peninggalan radiasi dan pembentukan struktur kosmik.