Penemuan Mengejutkan: Sup Primordial Alam Semesta Awal Benar-benar Cair

Menguak Misteri Alam Semesta Muda: Sebuah Perjalanan Ilmiah

Pada saat-saat kelahirannya, miliaran tahun lalu, alam semesta kita adalah tempat yang jauh berbeda dari yang kita kenal sekarang. Para ilmuwan berhipotesis bahwa ia bermula sebagai sebuah "sup" yang teramat panas, mencapai suhu triliunan derajat Celsius, dan dipenuhi oleh partikel-partikel fundamental seperti quark dan gluon. Partikel-partikel elementer ini bergerak dengan kecepatan mendekati cahaya, membentuk kondisi yang disebut "plasma quark-gluon" (QGP). Keadaan eksotis ini hanya bertahan selama beberapa per sejuta detik sebelum mendingin dengan cepat, dan quark serta gluon yang tadinya bebas mulai bergabung membentuk proton, neutron, dan partikel fundamental lainnya yang menjadi dasar materi alam semesta kita saat ini.

Memahami karakteristik sup primordial ini sangat penting karena ia adalah cikal bakal segala sesuatu. Ibaratnya, jika kita ingin memahami resep sebuah masakan, kita harus mengenal bahan-bahan dasarnya. Begitu pula dengan alam semesta, dengan memahami QGP, kita bisa mendapatkan wawasan mengenai hukum-hukum fisika ekstrem yang bekerja pada awal waktu. Untuk itulah, penelitian seperti ini tidak hanya beresonansi di kalangan akademisi global, tetapi juga menginspirasi para ilmuwan muda di Indonesia untuk menjelajahi batas-batas pengetahuan fisika teoretis dan eksperimental.

CERN dan Eksperimen Menciptakan Kembali Plasma Quark-Gluon

Di jantung Swiss, Organisasi Eropa untuk Riset Nuklir (CERN) menjadi garda terdepan dalam upaya mereplikasi kondisi alam semesta awal. Dengan menggunakan Large Hadron Collider (LHC), para fisikawan di sana secara rutin menabrakkan ion-ion berat dengan kecepatan mendekati cahaya. Tabrakan energi tinggi ini mampu "melonggarkan" quark dan gluon dari ikatan normalnya untuk sesaat, menciptakan kembali plasma quark-gluon yang sangat singkat. Melalui eksperimen ini, para ilmuwan dapat mempelajari langsung material yang pernah ada di mikrodetik pertama alam semesta.

Eksperimen di CERN ini bukan sekadar penelusuran akademis, melainkan sebuah lompatan besar dalam pemahaman kita tentang fisika partikel. Ini menunjukkan kapasitas manusia untuk merekayasa kondisi ekstrem yang bahkan melampaui imajinasi. Pengetahuan yang diperoleh dari fasilitas seperti LHC tidak hanya memperkaya ilmu fisika, tetapi juga sering kali memicu inovasi teknologi yang bermanfaat luas, dari pengolahan data berskala besar hingga teknologi medis.

Tanda-tanda Kebangkitan Quark dalam Plasma: Bukti Adanya Fluida

Sebuah tim di CERN, dipimpin oleh fisikawan dari Massachusetts Institute of Technology (MIT), baru-baru ini membuat penemuan penting. Mereka mengamati tanda-tanda jelas bahwa quark menciptakan "jejak" atau gelombang saat melaju di dalam plasma, mirip dengan riak air yang ditinggalkan bebek saat berenang. Temuan ini merupakan bukti langsung pertama bahwa plasma quark-gluon bereaksi terhadap partikel yang bergerak cepat sebagai sebuah fluida tunggal, bergoyang dan memercik sebagai respons, alih-alih hanya berhamburan secara acak seperti partikel-partikel individual.

"Sudah lama menjadi perdebatan di bidang kami, apakah plasma harus merespons quark," ujar Yen-Jie Lee, profesor fisika di MIT. "Sekarang kami melihat plasma itu sangat padat, sehingga mampu memperlambat quark, dan menghasilkan percikan serta pusaran seperti cairan. Jadi plasma quark-gluon benar-benar adalah sup primordial."

Untuk mengamati efek jejak quark, Lee dan rekan-rekannya mengembangkan teknik baru yang mereka laporkan dalam studi ini. Mereka berencana untuk menerapkan pendekatan ini pada lebih banyak data tabrakan partikel untuk mengidentifikasi jejak quark lainnya. Dengan mengukur ukuran, kecepatan, dan jangkauan jejak ini, serta berapa lama waktu yang dibutuhkan agar jejak tersebut mereda dan menghilang, para ilmuwan dapat memperoleh gambaran tentang properti plasma itu sendiri, dan bagaimana plasma quark-gluon mungkin berperilaku di mikrodetik pertama alam semesta.

Menyelami Sifat Cair "Sup Primordial"

Plasma quark-gluon dipercaya sebagai cairan pertama yang pernah ada di alam semesta. Selain itu, ia juga merupakan cairan terpanas yang pernah ada, dengan perkiraan suhu mencapai beberapa triliun derajat Celsius selama keberadaannya yang singkat. Sup mendidih ini juga dianggap sebagai cairan yang hampir "sempurna", artinya quark dan gluon individual di dalam plasma mengalir bersama sebagai fluida yang mulus dan nyaris tanpa gesekan.

Gambaran tentang QGP ini didasarkan pada banyak eksperimen independen dan model teoretis. Salah satu model tersebut, yang dikembangkan oleh Krishna Rajagopal, Profesor Fisika William A. M. Burden di MIT, dan kolaboratornya, memprediksi bahwa plasma quark-gluon harus merespons seperti fluida terhadap partikel apa pun yang melaju melaluinya. Teorinya, yang dikenal sebagai model hibrida, menunjukkan bahwa ketika seberkas quark melesat melalui QGP, ia akan menghasilkan jejak di belakangnya, menyebabkan plasma beriak dan memercik sebagai respons.

Tantangan dalam Mengidentifikasi Jejak Quark

Para fisikawan telah mencari efek jejak semacam itu dalam eksperimen di Large Hadron Collider dan akselerator partikel berenergi tinggi lainnya. Eksperimen-eksperimen ini melibatkan percepatan ion-ion berat seperti timbal, hingga mendekati kecepatan cahaya, pada titik mana mereka dapat bertabrakan dan menghasilkan tetesan sup primordial yang berumur pendek, biasanya berlangsung kurang dari satu per kuadriliun detik. Para ilmuwan pada dasarnya mengambil "foto" dari momen tersebut untuk mencoba mengidentifikasi karakteristik QGP.

Untuk mengidentifikasi jejak quark, para fisikawan mencari pasangan quark dan "antiquark" — partikel yang identik dengan pasangannya, kecuali bahwa sifat-sifat tertentu memiliki magnitudo yang sama tetapi berlawanan tanda. Misalnya, ketika sebuah quark melaju melalui plasma, kemungkinan ada antiquark yang bergerak dengan kecepatan yang sama persis, tetapi dalam arah yang berlawanan.

Namun, tantangannya adalah ketika dua quark (atau quark/antiquark) diproduksi dan bergerak berlawanan arah, jejak dari satu quark cenderung menutupi atau mengaburkan jejak quark lainnya. "Ketika Anda memiliki dua quark yang diproduksi, masalahnya adalah, ketika kedua quark pergi ke arah yang berlawanan, satu quark membayangi jejak quark kedua," kata Lee.

Inovasi Teknik "Z Boson Tagging"

Lee dan rekan-rekannya menyadari bahwa akan lebih mudah mencari jejak quark pertama jika tidak ada quark kedua yang mengaburkan efeknya. "Kami telah menemukan teknik baru yang memungkinkan kami melihat efek dari quark tunggal di QGP, melalui pasangan partikel yang berbeda," kata Lee.

Daripada mencari pasangan quark dan antiquark dalam tabrakan ion timbal, tim Lee justru mencari peristiwa dengan hanya satu quark yang bergerak melalui plasma, pada dasarnya berlawanan arah dengan "Z boson". Z boson adalah partikel elementer netral yang lemah secara elektrik yang hampir tidak memiliki efek pada lingkungan sekitarnya. Namun, karena mereka ada pada energi yang sangat spesifik, Z boson relatif mudah dideteksi.

"Dalam sup plasma quark-gluon ini, ada banyak quark dan gluon yang lewat dan bertabrakan satu sama lain," jelas Lee. "Terkadang ketika kami beruntung, salah satu tabrakan ini menciptakan Z boson dan quark, dengan momentum tinggi." Dalam tabrakan semacam itu, kedua partikel seharusnya saling menabrak dan terbang ke arah yang berlawanan. Sementara quark dapat meninggalkan jejak, Z boson seharusnya tidak memiliki efek pada plasma di sekitarnya. Riak apa pun yang diamati dalam tetesan sup primordial akan sepenuhnya dibuat oleh quark tunggal yang melesat melaluinya.

Tim, bekerja sama dengan kelompok Profesor Yi Chen di Vanderbilt University, berpendapat bahwa mereka dapat menggunakan Z boson sebagai "penanda" untuk menemukan dan melacak efek jejak quark tunggal. Untuk studi baru mereka, para peneliti meneliti data dari eksperimen tabrakan ion berat Large Hadron Collider. Dari 13 miliar tabrakan, mereka mengidentifikasi sekitar 2.000 peristiwa yang menghasilkan Z boson. Untuk setiap peristiwa ini, mereka memetakan energi di seluruh plasma quark-gluon yang berumur pendek, dan secara konsisten mengamati pola percikan dan pusaran seperti fluida — efek jejak — yang berlawanan arah dengan Z boson, yang oleh tim dapat secara langsung dikaitkan dengan efek quark tunggal yang melesat melalui plasma.

Terlebih lagi, para fisikawan menemukan bahwa efek jejak yang mereka amati dalam data konsisten dengan apa yang diprediksi oleh model hibrida Rajagopal. Dengan kata lain, plasma quark-gluon memang mengalir dan beriak seperti fluida ketika partikel melaju melaluinya. "Ini adalah sesuatu yang banyak dari kita telah berpendapat harus ada selama bertahun-tahun, dan yang banyak dicari oleh banyak eksperimen," kata Rajagopal, yang tidak terlibat langsung dalam studi baru ini.

Implikasi dan Harapan ke Depan

"Apa yang telah dilakukan Yen-Jie dan CMS adalah merancang dan melaksanakan pengukuran yang telah membawa mereka dan kami bukti pertama yang bersih, jelas, dan tidak ambigu untuk fenomena fundamental ini," kata Daniel Pablos, profesor fisika di Oviedo University di Spanyol dan kolaborator Rajagopal yang tidak terlibat dalam studi saat ini.

"Kami telah memperoleh bukti langsung pertama bahwa quark memang menyeret lebih banyak plasma bersamanya saat bergerak," tambah Lee. "Ini akan memungkinkan kami untuk mempelajari properti dan perilaku fluida eksotis ini dengan detail yang belum pernah terjadi sebelumnya."

Penelitian semacam ini memiliki implikasi mendalam, tidak hanya untuk komunitas fisika global tetapi juga untuk kemajuan sains di negara-negara berkembang seperti Indonesia. Dengan memahami dasar-dasar alam semesta, kita dapat memperkaya kurikulum pendidikan, mendorong penelitian inovatif, dan menginspirasi generasi ilmuwan berikutnya. Studi ini membuka pintu untuk pengujian lebih lanjut terhadap model-model teoretis yang ada dan mungkin memunculkan pemahaman baru yang revolusioner tentang bagaimana alam semesta kita terbentuk dan berevolusi.

Kolaborasi Global dan Dukungan untuk Sains

Studi ini merupakan hasil kolaborasi anggota CMS Collaboration — sebuah tim fisikawan partikel dari seluruh dunia yang bekerja sama untuk melaksanakan dan menganalisis data dari eksperimen Compact Muon Solenoid (CMS), salah satu detektor partikel tujuan umum di Large Hadron Collider CERN. Eksperimen CMS digunakan untuk mendeteksi tanda-tanda efek jejak quark untuk studi ini. Studi akses terbuka ini diterbitkan di jurnal Physics Letters B. Pekerjaan ini didukung, sebagian, oleh Departemen Energi A.S. Ini adalah contoh cemerlang bagaimana investasi dalam sains dasar, melalui kolaborasi internasional dan dukungan pemerintah, dapat membuahkan hasil yang transformatif dan memperluas horizon pengetahuan manusia.