Dimensi Baru dalam Pencarian untuk Memahami Materi Gelap

Seperti namanya, materi gelap - materi yang membentuk sekitar 85% dari massa di alam semesta - tidak memancarkan cahaya, sulit untuk dideteksi dengan mudah. Sifatnya juga tetap tidak jelas.

Sekarang, fisikawan partikel teoretis di University of California, Riverside, dan rekan-rekannya telah menerbitkan makalah penelitian di Journal of High Energy Physics yang menunjukkan bagaimana teori-teori yang mengemukakan keberadaan jenis gaya baru dapat membantu menjelaskan sifat materi gelap.

Gambar: 1.bp.blogspot.com

"Kita hidup di lautan materi gelap, namun kita hanya tahu sedikit tentang apa itu," kata Flip Tanedo, asisten profesor fisika dan astronomi dan penulis senior makalah tersebut. "Ini adalah salah satu yang tidak diketahui yang paling menjengkelkan di alam. Kami tahu itu ada, tetapi kami tidak tahu bagaimana mencarinya atau mengapa itu tidak muncul di tempat yang kami harapkan."

Fisikawan telah menggunakan teleskop, eksperimen bawah tanah raksasa, dan penumbuk untuk mempelajari lebih lanjut tentang materi gelap selama 30 tahun terakhir, meskipun tidak ada bukti positif yang terwujud. Bukti negatif, bagaimanapun, telah memaksa fisikawan teoretis seperti Tanedo untuk berpikir lebih kreatif tentang apa itu materi gelap.

Penelitian baru, yang mengusulkan keberadaan dimensi ekstra dalam ruang-waktu untuk mencari materi gelap, adalah bagian dari program penelitian yang sedang berlangsung di UC Riverside yang dipimpin oleh Tanedo. Menurut teori ini, beberapa partikel materi gelap tidak berperilaku seperti partikel. Akibatnya, partikel tak terlihat berinteraksi dengan partikel yang lebih tak terlihat sedemikian rupa sehingga yang terakhir berhenti berperilaku seperti partikel.

"Tujuan dari program penelitian saya selama dua tahun terakhir adalah untuk memperluas gagasan materi gelap 'berbicara' dengan kekuatan gelap," kata Tanedo. "Selama dekade terakhir, fisikawan telah menyadari bahwa, selain materi gelap, kekuatan gelap tersembunyi dapat mengatur interaksi materi gelap. Ini benar-benar dapat menulis ulang aturan tentang bagaimana seseorang harus mencari materi gelap."

Jika dua partikel materi gelap tertarik, atau ditolak, satu sama lain, maka kekuatan gelap beroperasi. Tanedo menjelaskan bahwa kekuatan gelap dijelaskan secara matematis oleh teori dengan dimensi ekstra dan muncul sebagai kontinum partikel yang dapat menjawab teka-teki yang terlihat di galaksi kecil.

"Program penelitian kami yang sedang berlangsung di UCR adalah generalisasi lebih lanjut dari proposal kekuatan gelap," katanya. "Alam semesta yang kita amati memiliki tiga dimensi ruang. Kami mengusulkan bahwa mungkin ada dimensi keempat yang hanya diketahui oleh kekuatan gelap. Dimensi ekstra dapat menjelaskan mengapa materi gelap bersembunyi begitu baik dari upaya kami untuk mempelajarinya di laboratorium."

Tanedo menjelaskan bahwa meskipun dimensi ekstra mungkin terdengar seperti ide yang eksotis, mereka sebenarnya adalah trik matematika untuk menggambarkan "teori medan konformal" - teori tiga dimensi biasa yang sangat mekanik kuantum. Jenis teori ini kaya secara matematis, tetapi tidak mengandung partikel konvensional sehingga biasanya tidak dianggap relevan untuk menggambarkan alam. Kesetaraan matematis antara teori tiga dimensi yang menantang ini dan teori dimensi ekstra yang lebih mudah dipahami dikenal sebagai prinsip holografik.

"Karena teori medan konformal ini keras dan tidak biasa, mereka tidak benar-benar diterapkan secara sistematis pada materi gelap," tambah Tanedo. "Alih-alih menggunakan bahasa itu, kami bekerja dengan teori ekstra-dimensi holografik."

Fitur utama dari teori ekstra-dimensi adalah bahwa gaya antara partikel materi gelap dijelaskan oleh jumlah tak terbatas dari partikel berbeda dengan massa berbeda yang disebut kontinum. Sebaliknya, gaya biasa digambarkan oleh satu jenis partikel dengan massa tetap. Kelas sektor kontinum-gelap ini menarik bagi Tanedo karena melakukan sesuatu yang "segar dan berbeda".

Menurut Tanedo, pekerjaan sebelumnya di sektor gelap berfokus terutama pada teori yang meniru perilaku partikel yang terlihat. Program penelitiannya mengeksplorasi jenis teori yang lebih ekstrem yang menurut sebagian besar fisikawan partikel kurang menarik, mungkin karena tidak ada analog di dunia nyata.

Dalam teori Tanedo, gaya antara partikel materi gelap secara mengejutkan berbeda dari gaya yang dirasakan oleh materi biasa.

"Untuk gaya gravitasi atau gaya listrik yang saya ajarkan dalam kursus pengantar fisika saya, ketika Anda menggandakan jarak antara dua partikel, Anda mengurangi gaya dengan faktor empat. Gaya kontinum, di sisi lain, dikurangi dengan faktor sampai delapan."

Apa implikasi dari kekuatan gelap dimensi ekstra ini? Karena materi biasa mungkin tidak berinteraksi dengan kekuatan gelap ini, Tanedo beralih ke gagasan tentang materi gelap yang berinteraksi sendiri, sebuah ide yang dipelopori oleh Hai-Bo Yu, seorang profesor fisika dan astronomi di UCR yang bukan rekan penulis di atas kertas. Yu menunjukkan bahwa bahkan tanpa adanya interaksi dengan materi normal, efek dari kekuatan gelap ini dapat diamati secara tidak langsung di galaksi spheroidal kerdil. Tim Tanedo menemukan bahwa gaya kontinum dapat mereproduksi gerakan bintang yang diamati.

"Model kami melangkah lebih jauh dan membuatnya lebih mudah daripada model materi gelap yang berinteraksi sendiri untuk menjelaskan asal usul materi gelap kosmik," kata Tanedo.

Selanjutnya, tim Tanedo akan mengeksplorasi versi kontinum dari model "foton gelap".

"Ini gambaran yang lebih realistis untuk kekuatan gelap," kata Tanedo. "Foton gelap telah dipelajari dengan sangat rinci, tetapi kerangka ekstra-dimensi kami memiliki beberapa kejutan. Kami juga akan melihat ke dalam kosmologi kekuatan gelap dan fisika lubang hitam."

Tanedo telah bekerja dengan rajin untuk mengidentifikasi "titik buta" dalam pencarian materi gelap timnya.

"Program penelitian saya menargetkan salah satu asumsi yang kami buat tentang fisika partikel: bahwa interaksi partikel digambarkan dengan baik oleh pertukaran lebih banyak partikel," katanya. "Meskipun itu berlaku untuk materi biasa, tidak ada alasan untuk berasumsi bahwa untuk materi gelap. Interaksi mereka dapat dijelaskan oleh kontinum partikel yang dipertukarkan daripada hanya bertukar satu jenis partikel gaya."