Jet Lubang Hitam Materi/Antimateri Diciptakan Kembali di Laboratorium CERN

Kolaborasi Bola Api menggunakan CERNFasilitas HiRadMat menghasilkan analog semburan materi dan antimateri yang mengalir keluar dari beberapa lubang hitam dan bintang neutron.

Di fasilitas HiRadMat CERN, para peneliti telah menciptakan elektron-positron berdensitas tinggi plasma sinar yang meniru pancaran astrofisika dari lubang hitam, memberikan wawasan baru tentang fenomena luar angkasa. Percobaan ini membantu memvalidasi model teoritis dengan data dunia nyata, membuka jalan bagi pemahaman yang lebih mendalam tentang peristiwa kosmik seperti lubang hitam jet.

Menyelamlah ke jantung galaksi yang aktif dan Anda akan menemukan lubang hitam supermasif yang melahap material dari sekelilingnya. Di sekitar satu dari sepuluh galaksi ini, lubang hitam juga akan menyemburkan semburan materi dengan kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya. Semburan lubang hitam relativistik diperkirakan mengandung, di antara komponen lainnya, plasma elektron berpasangan dan padanan antimaterinya, positron.

Plasma elektron-positron relativistik ini diyakini membentuk dinamika dan anggaran energi lubang hitam dan lingkungannya. Namun, bagaimana hal ini terjadi masih belum dipahami dengan baik, karena sulit untuk mengukur plasma dengan pengamatan astronomi dan mensimulasikannya dengan program komputer.

Dalam sebuah makalah yang baru-baru ini diterbitkan di Komunikasi AlamiCharles Arrowsmith dan rekan-rekannya dari kolaborasi Fireball melaporkan bagaimana mereka menggunakan fasilitas HiRadMat di CERN untuk menghasilkan sinar relativistik plasma elektron-positron yang memungkinkan media ini dipelajari secara rinci dalam eksperimen laboratorium.

Replikasi Laboratorium Fenomena Astrofisika

Sinar relativistik pasangan elektron-positron dapat dibuat dengan berbagai cara di berbagai jenis laboratorium, termasuk fasilitas laser berdaya tinggi. Namun, tidak ada metode yang ada yang dapat menghasilkan jumlah pasangan elektron-positron yang diperlukan untuk mempertahankan plasma—suatu keadaan materi di mana partikel-partikel penyusunnya terhubung sangat longgar. Tanpa mempertahankan plasma, para peneliti tidak dapat menyelidiki bagaimana analog jet lubang hitam ini berubah saat mereka bergerak melalui media antarbintang yang setara dengan laboratorium. Investigasi ini merupakan kunci untuk menjelaskan pengamatan dari teleskop berbasis darat dan berbasis ruang angkasa.

Arrowsmith dan rekan-rekannya menemukan cara untuk memenuhi persyaratan ini di fasilitas HiRadMat CERN. Pendekatan mereka melibatkan pengambilan sekitar tiga ratus miliar proton dari Super Proton Synchrotron di laboratorium dalam waktu satu nanodetik dan menembakkannya ke target grafit dan tantalum, tempat serangkaian interaksi partikel menghasilkan sejumlah besar pasangan elektron-positron.

Implikasi bagi Penelitian Astrofisika

Dengan mengukur berkas elektron-positron relativistik yang dihasilkan dengan serangkaian instrumen, dan membandingkan hasilnya dengan simulasi komputer yang canggih, Arrowsmith dan rekan-rekannya menunjukkan bahwa jumlah pasangan elektron-positron dalam berkas tersebut – lebih dari sepuluh triliun – adalah sepuluh hingga seratus kali lebih besar daripada yang dicapai sebelumnya, untuk pertama kalinya melebihi jumlah yang dibutuhkan untuk mempertahankan keadaan plasma.

“Plasma elektron-positron dianggap memainkan peran mendasar dalam jet astrofisika, tetapi simulasi komputer terhadap plasma dan jet ini belum pernah diuji di laboratorium,” kata Arrowsmith. “Eksperimen laboratorium diperlukan untuk memvalidasi simulasi, karena apa yang tampak sebagai penyederhanaan yang wajar dari perhitungan yang terlibat dalam simulasi terkadang dapat mengarah pada kesimpulan yang sangat berbeda.”

Hasil ini merupakan yang pertama dari serangkaian percobaan yang dilakukan oleh kolaborasi Fireball di HiRadMat.

Arah Masa Depan dalam Astrofisika Laboratorium

“Ide dasar dari eksperimen ini adalah untuk mereproduksi mikrofisika fenomena astrofisika seperti pancaran dari lubang hitam dan bintang neutron di laboratorium,” kata salah satu penulis makalah dan peneliti utama Gianluca Gregori. “Apa yang kita ketahui tentang fenomena ini hampir secara eksklusif berasal dari pengamatan astronomi dan simulasi komputer, tetapi teleskop tidak dapat benar-benar menyelidiki mikrofisika dan simulasi melibatkan perkiraan. Eksperimen laboratorium seperti ini merupakan jembatan antara kedua pendekatan ini.”

Upaya berikutnya yang dilakukan Arrowsmith dan rekan-rekannya dalam penelitian plasma di HiRadMat adalah membuat pancaran kuat ini menyebar melalui satu meter plasma dan mengamati bagaimana interaksi di antara keduanya menghasilkan medan magnet yang mempercepat partikel dalam pancaran tersebut – salah satu teka-teki terbesar dalam astrofisika energi tinggi.

“Eksperimen Fireball merupakan salah satu tambahan terbaru pada portofolio HiRadMat,” kata manajer operasi fasilitas tersebut, Alice Goillot. “Kami berharap dapat terus mereproduksi fenomena langka ini menggunakan properti unik kompleks akselerator CERN.”

Untuk informasi lebih lanjut mengenai penelitian ini, lihat Mini-Universe in a Lab: Creating “Cosmic Fireballs” on Earth.

Referensi: “Realisasi laboratorium sinar plasma relativistik” oleh CD Arrowsmith, P. Simon, PJ Bilbao, AFA Bott, S. Burger, H. Chen, FD Cruz, T. Davenne, I. Efthymiopoulos, DH Froula, A. Goillot, JT Gudmundsson, D. Haberberger, JWD Halliday, T. Hodge, BT Huffman, S. Iaquinta, F. Miniati, B. Reville, S. Sarkar, AA Schekochihin, LO Silva, R. Simpson, V. Stergiou, RMGM Trines, T. Vieu, N. Charitonidis, R. Bingham dan G. Gregori, 12 Juni 2024, Komunikasi Alami.
Nomor Identifikasi Penduduk: 10.1038/s41467-024-49346-2

Proyek ini telah menerima pendanaan dari program Penelitian dan Inovasi Horizon Eropa Uni Eropa berdasarkan Perjanjian Hibah No 101057511 (EURO-LABS).