Ilmuwan Ungkap Rahasia Momen Awal Alam Semesta

Upaya mereka berfokus pada pemetaan “sup primordial” yang memenuhi Alam Semesta dalam waktu sepersejuta detik setelah permulaannya.

Fisikawan dari Universitas Eötvös Loránd telah menyelidiki komponen inti atom menggunakan tiga akselerator partikel tercanggih secara global. Penelitian mereka bertujuan untuk mengeksplorasi “sup primordial” yang ada di alam semesta selama mikrodetik awal setelah penciptaannya. Menariknya, temuan mereka menunjukkan bahwa pergerakan partikel yang diamati memiliki kemiripan dengan pencarian mangsa predator laut, pola perubahan iklim, dan fluktuasi pasar saham.

Segera setelah Dentuman Besar, suhu sangat ekstrim sehingga inti atom tidak dapat ada, begitu pula nukleon, bahan penyusunnya. Oleh karena itu, dalam peristiwa pertama ini, alam semesta dipenuhi dengan “sup primordial” quark dan gluon.

Saat alam semesta mendingin, medium ini mengalami “pembekuan”, yang mengarah pada pembentukan partikel yang kita kenal sekarang, seperti proton dan neutron. Fenomena ini direplikasi dalam skala yang jauh lebih kecil dalam eksperimen akselerator partikel, di mana tumbukan antara dua inti menghasilkan tetesan kecil materi quark. Tetesan ini pada akhirnya bertransisi menjadi materi biasa melalui pembekuan, sebuah transformasi yang diketahui oleh para peneliti yang melakukan eksperimen ini.

Variasi Materi Quark

Namun sifat materi quark bervariasi karena perbedaan tekanan dan suhu yang disebabkan oleh energi tumbukan pada akselerator partikel. Variasi ini memerlukan pengukuran untuk 'memindai' material dalam akselerator partikel dengan energi berbeda, Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) di AS, atau Super Proton Synchrotron (SPS) dan Large Hadron Collider (LHC) di Swiss.

“Aspek ini sangat penting sehingga akselerator baru sedang dibangun di seluruh dunia, misalnya di Jerman atau Jepang, khusus untuk eksperimen semacam itu. “Mungkin pertanyaan paling penting adalah bagaimana transisi antar fase terjadi: titik kritis mungkin muncul di peta fase,” jelas Máté Csanád, profesor fisika di Departemen Fisika Atom, Universitas Eötvös Loránd (ELTE).

Montase jejak peristiwa tabrakan aktual yang direkonstruksi dan foto dari masing-masing detektor, di Laboratorium Nasional Brookhaven dan di CERN. Kredit: Montase dibuat oleh Máté Csanád / Eötvös Loránd University Foto asli untuk montase: STAR és PHENIX: Brookhaven National Laboratory dan CMS és NA61: CERN

Tujuan jangka panjang dari penelitian ini adalah untuk memperdalam pemahaman kita tentang interaksi kuat yang mengatur interaksi materi kuark dan inti atom. Tingkat pengetahuan kita saat ini di bidang ini dapat dibandingkan dengan pemahaman manusia tentang listrik di era Volta, Maxwell, atau Faraday. Meskipun mereka mempunyai gagasan tentang persamaan fundamental, dibutuhkan upaya eksperimental dan teoretis yang sangat besar untuk mengembangkan teknologi yang telah mengubah kehidupan sehari-hari secara signifikan, mulai dari bola lampu hingga televisi, telepon, komputer, dan internet. Demikian pula, pemahaman kita tentang interaksi kuat masih bersifat embrionik, sehingga penelitian untuk mengeksplorasi dan memetakannya menjadi penting.

Inovasi dalam Femtoskopi

Para peneliti dari ELTE telah terlibat dalam eksperimen pada masing-masing akselerator yang disebutkan di atas, dan pekerjaan mereka selama beberapa tahun terakhir telah menghasilkan gambaran komprehensif tentang geometri materi quark. Mereka mencapai hal ini melalui penerapan teknik femtoskopi. Teknik ini memanfaatkan korelasi yang muncul dari sifat gelombang non-klasik dan kuantum dari partikel yang dihasilkan, yang pada akhirnya mengungkap struktur skala femtometer dari medium, sumber pemancar partikel.

Para peneliti dari Universitas Eötvös mengerjakan pengambilan data eksperimen STAR di Laboratorium Nasional Brookhaven. Kredit: Universitas Máté Csanád / Eötvös Loránd

“Pada dekade-dekade sebelumnya, femtoskopi beroperasi dengan asumsi bahwa materi kuark mengikuti distribusi normal, yaitu bentuk Gaussian yang ditemukan di banyak tempat di alam,” jelas Márton Nagy, salah satu peneliti utama kelompok tersebut.

Namun, para peneliti Hongaria beralih ke proses Lévy, yang juga dikenal dalam berbagai disiplin ilmu, sebagai kerangka yang lebih umum, dan merupakan ilustrasi yang baik tentang pencarian mangsa oleh predator laut, proses pasar saham, dan bahkan perubahan iklim. Ciri khas dari proses ini adalah bahwa pada waktu-waktu tertentu proses tersebut mengalami perubahan yang sangat besar (misalnya, ketika hiu mencari makanan di daerah baru), dan dalam kasus seperti itu dapat terjadi distribusi Lévy daripada distribusi normal (Gaussian).

Implikasi dan Peran ELTE

Penelitian ini penting karena beberapa alasan. Khususnya, salah satu fitur yang paling banyak dipelajari dari pemadatan materi quark, transformasinya menjadi materi konvensional (hadronik), adalah radius femtoskopik (juga disebut radius HBT, mengingat hubungannya dengan efek Hanbury Brown dan Twiss yang terkenal dalam astronomi. ), yang berasal dari pengukuran femtoskopik. Namun, skala ini bergantung pada asumsi geometri medium. Seperti yang dirangkum oleh Dániel Kincses, peneliti postdoctoral dalam kelompok tersebut, “Jika asumsi Gaussian tidak optimal, maka hasil paling akurat dari penelitian ini hanya dapat diperoleh berdasarkan asumsi Lévy. Nilai 'eksponen Lévy', yang menjadi ciri distribusi Lévy, juga dapat menjelaskan sifat transisi fase. Oleh karena itu, variasi energi tumbukan memberikan wawasan berharga tentang berbagai fase materi quark.”

Para peneliti dari ELTE secara aktif berpartisipasi dalam empat eksperimen: NA61/SHINE di akselerator SPS, PHENIX dan STAR di RHIC, dan CMS di LHC. Grup ELTE NA61/SHINE dipimpin oleh Yoshikazu Nagai, grup CMS dipimpin oleh Gabriella Pásztor; dan kelompok RHIC oleh Máté Csanád, yang juga mengoordinasikan penelitian femtoskopi ELTE.

Kelompok-kelompok ini berkontribusi besar terhadap keberhasilan eksperimen dalam berbagai kapasitas, mulai dari pengembangan detektor hingga perolehan dan analisis data. Mereka juga terlibat dalam banyak proyek teoretis dan penelitian. “Yang unik dari penelitian femtoskopik kami adalah penelitian ini dilakukan dalam empat percobaan dengan tiga akselerator partikel – memberi kami pandangan luas tentang geometri dan kemungkinan fase materi quark,” kata Máté Csanád.

Referensi: “Metode baru untuk menghitung fungsi korelasi Bose–Einstein dengan interaksi keadaan akhir Coulomb” oleh Márton Nagy, Aletta Purzsa, Máté Csanád, dan Dániel Kincses, 8 November 2023, Jurnal Fisika Eropa C.
DOI: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y