22 Februari 2024

Partikel ultra-ringan yang tidak diketahui terkait dengan materi gelap dapat ditemukan menggunakan jam atom

4 min read

Para ilmuwan menggunakan jam atom untuk menyelidiki beberapa misteri terbesar alam semesta, termasuk sifat materi gelap, di laboratorium. Dalam prosesnya, mereka mengatakan bahwa mereka membawa kosmologi dan astrofisika “turun ke Bumi.”

Proyek ini, yang merupakan kolaborasi antara Universitas Sussex dan National Physical Laboratory (NPL) di Inggris, menggunakan detak jam yang sangat presisi ini untuk memburu partikel ultra-ringan yang sampai sekarang belum diketahui.

Partikel-partikel ini mungkin terkait dengan materi gelap, zat misterius yang membentuk sekitar 85% dari seluruh materi di alam semesta namun tetap tidak terlihat oleh kita karena tidak berinteraksi dengan cahaya atau, lebih tepatnya, radiasi elektromagnetik. Para ilmuwan yakin sebagian besar galaksi diselimuti oleh awan materi gelap, namun keberadaannya hanya dapat disimpulkan berdasarkan pengaruhnya terhadap gravitasi.

Terkait: Bagaimana cara kerja jam atom?

“Alam semesta kita, seperti yang kita ketahui, diatur oleh hukum fisika, sehingga gravitasi diatur oleh relativitas umum dan fisika partikel berdasarkan Model Standar fisika partikel,” Xavier Calmet, pemimpin proyek dan profesor fisika di Universitas Sussex , kepada 45secondes.fr. “Kami menyebut penyimpangan dari hukum-hukum ini sebagai ‘kerusakan dalam fisika’ – pada dasarnya, ini adalah sinonim untuk fisika baru di luar pemahaman kita saat ini tentang alam semesta.”

Fisika baru ini dapat digunakan untuk menjelaskan sifat materi gelap, sesuatu yang tidak sesuai dengan Model Standar.

“Salah satu misteri terbesar adalah sifat materi gelap. Kita tahu bahwa materi gelap ada di luar sana, kita melihat dampaknya di alam semesta kita, namun kita tidak memiliki penjelasan yang valid dalam Model Standar fisika partikel,” lanjut Calmet. “Pasti ada ilmu fisika baru, tapi kita tidak tahu bagaimana menjelaskan partikel-partikel baru ini dan bagaimana mereka berpasangan dengan materi biasa.”

Bagaimana ‘fisika baru’ dapat dilihat dengan jam atom?

Menurut hukum fisika yang berlaku, jam harus berdetak pada kecepatan yang konstan, namun fisika di luar cakupan Model Standar akan menghasilkan muatan kecil pada tingkat energi atom. Hal ini seharusnya mempengaruhi kecepatan detak jam, namun variasinya akan sangat kecil sehingga hanya dapat diketahui dengan jam yang sangat presisi — dan di situlah peran jam atom.

“Jam atom membawa kosmologi dan astrofisika ke Bumi, memungkinkan pencarian partikel ultra-ringan yang dapat menjelaskan materi gelap di laboratorium,” kata Calmet.

Jam atom mengukur waktu menggunakan atom dengan dua keadaan energi potensial. Ketika atom menyerap energi, mereka berpindah ke keadaan energi yang lebih tinggi. Kemudian, mereka akhirnya melepaskan energi ini dan turun kembali ke kondisi dasar yang lebih rendah.

Dalam jam atom, sekelompok atom disiapkan dengan menempatkannya pada tingkat energi yang lebih tinggi menggunakan energi gelombang mikro, dan karakteristik serta laju getaran yang konsisten antar keadaan — frekuensi resonansinya — digunakan untuk mengukur waktu secara tepat.

Jadi, misalnya, semua atom cesium beresonansi pada frekuensi yang sama, artinya ukuran standar satu detik dapat didefinisikan sebagai 9.192.631.770 siklus cesium. Karena siklus per detik ini terjadi dengan variasi yang jauh lebih sedikit dibandingkan, katakanlah, ayunan pendulum, hal ini membuat jam atom menjadi sangat presisi.

“Baru-baru ini diketahui bahwa materi gelap dapat terbentuk dari partikel ultra-ringan yang berinteraksi sangat lemah dengan materi biasa,” jelas Calmet. “Jika demikian halnya, materi gelap pada dasarnya akan berperilaku seperti gelombang klasik yang berinteraksi dengan elektron dan proton. Gelombang materi gelap ini akan memberikan beberapa dorongan kecil pada partikel-partikel ini.”

Calmet menambahkan bahwa partikel materi gelap ultra-terang yang menyerang bahan penyusun atom akan menyebabkan variasi waktu dalam konstanta fundamental alam semesta, seperti konstanta struktur halus atau “alpha” – ukuran seberapa kuat partikel berpasangan. melalui gaya elektromagnetik – dan massa proton.

“Karena jam atom adalah perangkat yang sangat presisi, mereka akan mampu mendeteksi gerakan ini dan menemukan materi gelap ultra-terang,” lanjutnya. “Dengan membandingkan dua jam, yang satu sensitif terhadap perubahan alfa dan yang lainnya kurang sensitif terhadap perubahan alfa, kita dapat memperoleh batasan variasi waktu dari konstanta fundamental ini dan dengan demikian menetapkan batasan pada partikel ultra-ringan.”

Calmet berpendapat bahwa teknik ini berpotensi juga digunakan untuk menyelidiki aspek bermasalah lain dari alam semesta bagi fisikawan: Energi gelap, kekuatan tak dikenal yang mendorong percepatan perluasan ruang angkasa.

Meskipun Calmet mengakui bahwa energi gelap lebih mungkin dijelaskan oleh konstanta kosmologis, suatu bentuk energi yang bertindak hampir berlawanan dengan gravitasi untuk meregangkan struktur ruang dan memisahkan galaksi, ada kemungkinan kecil hal ini dapat dihubungkan dengan energi ultra- partikel cahaya. Dalam hal ini, jam masa depan juga bisa peka terhadap partikel tersebut dan gelombang yang terkait.

“Meskipun jam belum menemukan fisika baru pada tahap ini, kami dapat mengembangkan kerangka teoretis baru untuk menyelidiki fisika baru yang umum dengan jam dan mampu memperoleh batasan independen model pertama pada fisika di luar model standar dalam pendekatan ini, ” pungkas Calmet. “Kami menciptakan bidang baru pada antarmuka fisika atom, molekul, dan optik serta fisika partikel tradisional.

Ini adalah hasil yang menggembirakan!

Hasilnya akan diterbitkan dalam New Journal of Physics edisi mendatang.

45secondes est un nouveau média, n’hésitez pas à partager notre article sur les réseaux sociaux afin de nous donner un solide coup de pouce. ?