Selama beberapa dekade, ketidaksesuaian yang membingungkan yang melibatkan partikel subatom kecil yang disebut muon telah memicu spekulasi bahwa fisikawan mungkin akan menemukan kekuatan alam yang benar-benar baru. Kini, tim peneliti internasional yang dipimpin oleh fisikawan Penn State mengatakan misteri tersebut tampaknya telah terpecahkan dan jawabannya mendukung fisika yang ada, bukan membalikkannya.
Para peneliti mempublikasikan hasilnya di jurnal Alammenggambarkan salah satu perhitungan fisika partikel paling tepat yang pernah dibuat. Pekerjaan mereka menunjukkan bahwa ketidaksesuaian yang telah lama diperdebatkan antara teori dan eksperimen kemungkinan besar disebabkan oleh keterbatasan perhitungan sebelumnya dan bukan karena bukti fisika yang tidak diketahui.
Harapan puluhan tahun untuk “fisika baru”
Misterinya berpusat pada muon, sebuah partikel fana yang menyerupai elektron tetapi sekitar 200 kali lebih berat. Selama lebih dari 60 tahun, pengukuran perilaku magnetik muon tampaknya bertentangan dengan prediksi Model Standar, kerangka kerja yang digunakan para ilmuwan untuk menggambarkan partikel dan kekuatan fundamental alam semesta.
Perbedaan ini membuat para fisikawan bersemangat karena mengisyaratkan kemungkinan adanya partikel yang belum ditemukan atau bahkan “gaya kelima” baru di luar empat gaya fundamental yang diketahui.
“Ada banyak perhitungan selama 60 tahun terakhir, dan seiring dengan semakin akuratnya perhitungan tersebut, semuanya menunjukkan adanya divergensi dan interaksi baru yang akan mengubah hukum fisika yang sudah diketahui,” kata Zoltan Fodor, profesor fisika terkemuka di Penn State dan penulis utama studi tersebut. “Kami menerapkan metode baru untuk menghitung jumlah perbedaan ini, dan kami menunjukkan bahwa hal itu tidak ada. Interaksi baru yang kami harapkan tidak ada. Interaksi lama dapat sepenuhnya menjelaskan nilai tersebut.”
Tim menghabiskan lebih dari satu dekade untuk menyempurnakan perhitungannya. Hasil akhir mereka membuat prediksi teoritis dan pengukuran eksperimental sesuai dengan setengah standar deviasi. Menurut Fodor, karya baru ini menegaskan model standar 11 desimal dan secara signifikan mengurangi kemungkinan tersembunyinya fisika yang tidak diketahui dalam pengukuran khusus ini.
“Orang-orang bertanya kepada saya bagaimana rasanya mendapatkan penemuan ini dan, sejujurnya, saya merasa sedikit sedih,” kata Fodor. “Saat kami mulai menghitung besaran ini, kami pikir kami memiliki perhitungan yang baik dan dapat diandalkan untuk gaya kelima yang baru. Sebaliknya, kami menemukan bahwa tidak ada gaya kelima. Kami menemukan bukti yang sangat tepat tidak hanya dari Model Standar, tetapi juga dari teori medan kuantum, yang menjadi dasar pembuatan Model Standar.”
Perilaku magnetis muon yang aneh
Penelitian ini berfokus pada properti yang dikenal sebagai momen magnet muon, yang menggambarkan kekuatan partikel bertindak seperti magnet kecil. Teori kuantum memperkirakan bahwa nilainya harus tepat dua, yang mewakili hubungan antara osilasi partikel dan medan magnet di sekitarnya.
Namun, dalam eksperimen sebenarnya, nilainya sedikit berubah saat partikel lain muncul dan menghilang sebentar di ruang kosong, sehingga secara halus memengaruhi perilaku muon. Penyimpangan kecil ini dikenal sebagai “momen magnet abnormal” atau g−2.
Karena muon jauh lebih berat daripada elektron, mereka sangat sensitif terhadap efek kuantum sementara ini. Sensitivitas ini menjadikan muon g−2 salah satu pengukuran yang paling banyak dipelajari dalam fisika modern.
Eksperimen yang dilakukan di CERN pada tahun 1960an dan 1970an, kemudian di Laboratorium Nasional Brookhaven, dan baru-baru ini di Laboratorium Akselerator Nasional Fermi, semuanya mengukur momen magnet muon dengan presisi yang luar biasa. Eksperimen ini baru-baru ini memenangkan Penghargaan Terobosan dalam Fisika Fundamental, salah satu penghargaan sains paling bergengsi di dunia.
Selama bertahun-tahun, pengukuran eksperimental terus menunjukkan ketidakkonsistenan dengan prediksi Model Standar, sehingga memperkuat harapan bahwa ada sesuatu yang benar-benar baru yang mungkin mempengaruhi muon.
Mengapa kekuatan yang kuat membuat masalah menjadi begitu sulit
Tantangan dalam menghitung perilaku muon sebagian besar berasal dari gaya kuat, gaya fundamental terkuat dari empat gaya fundamental yang diketahui. Gaya kuat tersebut mengikat quark di dalam proton, neutron, dan partikel lainnya.
Berbeda dengan gravitasi atau elektromagnetisme, gaya kuat menjadi lebih kuat ketika partikel-partikel menjauh satu sama lain, seperti karet gelang yang meregang semakin erat saat ditarik. Mencoba memisahkan partikel-partikel yang dihubungkan oleh suatu gaya yang kuat memerlukan begitu banyak energi sehingga partikel-partikel baru dapat terbentuk dalam prosesnya. Partikel tambahan ini semakin memperumit perhitungan.
Karena kompleksitas yang ekstrim ini, memprediksi secara akurat perilaku muon berdasarkan Model Standar tetap menjadi salah satu masalah tersulit dalam fisika partikel.
Superkomputer dan kromodinamika kuantum kisi
Untuk memecahkan masalah ini, para peneliti mengandalkan kisi kromodinamika kuantum, sebuah teknik komputasi yang mensimulasikan gaya kuat menggunakan superkomputer masif. Metode ini membagi ruang dan waktu menjadi kisi-kisi yang sangat halus, atau kisi-kisi, yang memungkinkan para ilmuwan memecahkan persamaan yang mengatur interaksi antar partikel secara numerik.
“Metodologi lama melibatkan pengumpulan ribuan hasil eksperimen dan menafsirkannya kembali untuk mendapatkan satu angka, momen magnetik muon,” jelas Fodor. “Pendekatan kami benar-benar berbeda. Kami membagi ruang-waktu menjadi sel-sel yang sangat kecil, sebuah kisi, dan kemudian kami memecahkan persamaan Model Standar berdasarkan itu. Ada banyak sekali teori, matematika, pemrograman, pengetahuan komputer, dan arsitektur komputer di balik perhitungan ini.”
Selama dekade terakhir, perhitungan kisi menjadi semakin canggih, namun ketepatan yang diperlukan untuk menghitung g−2 muon masih sangat sulit dicapai. Oleh karena itu tim menggabungkan beberapa pendekatan.
Mereka menggunakan penghitungan jaringan untuk jarak pendek dan menengah antar sel sambil menggabungkan pengukuran eksperimental yang sangat andal untuk jarak yang lebih jauh, di mana data yang ada sudah sangat sesuai. Strategi gabungan ini mengurangi ketidakpastian dengan lebih efektif dibandingkan hanya mengandalkan kedua metode tersebut.
Para peneliti juga mensimulasikan persamaan menggunakan jaringan yang lebih halus dibandingkan penelitian sebelumnya, sehingga semakin meningkatkan akurasi dan mengurangi kemungkinan kesalahan.
Perhitungan akhir mewakili penentuan momen magnet muon yang paling tepat hingga saat ini. Ketika dimasukkan ke dalam prediksi Model Standar lengkap, ketidaksepakatan lama dengan eksperimen pada dasarnya akan hilang.
“Prediksi ini menggabungkan gaya elektromagnetik, lemah dan kuat, yang masing-masing memerlukan alat teoritis yang sangat berbeda, ke dalam satu perhitungan yang tepat hingga bagian per miliar,” kata Fodor. “Ini menunjukkan bahwa kita benar-benar memahami cara kerja alam pada tingkat yang sangat mendalam.”
Apa arti hasilnya bagi fisika
Hasilnya tidak sepenuhnya mengesampingkan kemungkinan fisika yang belum ditemukan, menurut para peneliti. Namun, salah satu petunjuk potensial yang paling kuat di luar model standar kini menjadi kurang menarik.
Eksperimen di masa depan mungkin belum mengungkap bukti adanya partikel atau gaya baru di tempat lain, namun untuk saat ini Model Standar masih terus diteliti.
“Kami tidak mendapatkan gaya kelima, tapi kami mendapatkan bukti teori kuantum yang sangat indah dan mungkin yang terbaik, yang merupakan teori yang mendasari semua pemahaman kita tentang pertanyaan paling mendasar tentang alam,” kata Fodor.
Bagian penelitian di Penn State didukung oleh Departemen Energi AS dan Dewan Riset Eropa.
