Hasil penelitian terbaru yang kami lakukan di Large Hadron Collider (LHC) di Cern di Jenewa menunjukkan bahwa kita mungkin semakin dekat dengan tanda-tanda fisika yang belum ditemukan.
Jika terbukti, petunjuk ini akan membalikkan teori yang disebut model standar, yang telah mendominasi fisika partikel selama 50 tahun. Hasilnya menunjukkan bahwa perilaku beberapa partikel subatom di LHC bertentangan dengan model standar.
Partikel fundamental adalah bahan penyusun materi yang paling mendasar: partikel subatom yang tidak dapat dibagi menjadi unit-unit yang lebih kecil. Empat gaya fundamental – gravitasi, elektromagnetisme, gaya lemah, dan gaya kuat – mengatur bagaimana partikel-partikel ini berinteraksi.
LHC adalah akselerator partikel raksasa yang dibangun di terowongan melingkar sepanjang 27 km di bawah perbatasan Perancis-Swiss. Tujuan utamanya adalah menemukan celah pada model standar.
Teori ini merupakan pemahaman terbaik kita mengenai partikel dan gaya fundamental, namun kita tahu bahwa teori ini tidak dapat menjelaskan keseluruhan cerita. Hal ini tidak menjelaskan gravitasi atau materi gelap – jenis materi yang tidak terlihat dan sebelumnya tidak terukur yang membentuk sekitar 25% alam semesta.
Di LHC, berkas partikel proton yang bergerak berlawanan arah bertabrakan, dengan tujuan menemukan petunjuk fisika yang sebelumnya tidak diketahui. Hasil baru ini diperoleh dari LHCb, eksperimen Large Hadron Collider yang menganalisis tabrakan ini.
Hasilnya diperoleh dari mempelajari peluruhan – sejenis transformasi – partikel subatom yang disebut meson B. Kami mempelajari bagaimana meson B ini membusuk menjadi partikel lain, dan menemukan bahwa cara terjadinya hal ini bertentangan dengan prediksi Model Standar.
Sebuah teori yang elegan
Model Standar didasarkan pada dua kemajuan paling transformatif dalam fisika abad ke-20: mekanika kuantum dan relativitas khusus Einstein.
Fisikawan dapat membandingkan pengukuran yang dilakukan di fasilitas seperti LHC dengan prediksi berdasarkan Model Standar untuk menguji teori secara ketat.
Meskipun kita tahu bahwa Model Standar tidak lengkap, setelah lebih dari 50 tahun pengujian yang semakin ketat, fisikawan partikel belum menemukan kelemahan dalam teori tersebut. Hal ini berpotensi terjadi sejauh ini.
Pengukuran kami, diterima untuk dipublikasikan di Surat Pemeriksaan Fisikmenunjukkan ketegangan empat standar deviasi dari ekspektasi model standar.
Secara riil, hal ini berarti bahwa setelah memperhitungkan ketidakpastian dalam hasil eksperimen dan prediksi teoritis, hanya terdapat 1 dari 16.000 kemungkinan terjadinya fluktuasi data acak ekstrem jika model standarnya benar.
Meskipun hal ini tidak memenuhi standar emas ilmu pengetahuan – yang dikenal sebagai lima sigma, atau lima standar deviasi (sekitar satu peluang dalam 1,7 juta) – bukti-buktinya mulai meningkat. Kisah menarik ini ditambah dengan hasil eksperimen LHC independen, CMS, yang diterbitkan pada awal tahun 2025.
Meskipun hasil CMS tidak setepat hasil dari LHCb, namun hasilnya sangat sesuai, sehingga memperkuat argumentasinya. Hasil baru kami ditemukan dalam studi tentang jenis proses khusus, yang dikenal sebagai peluruhan listrik lemah penguin.
Peristiwa langka
Istilah “penguin” mengacu pada jenis peluruhan (transformasi) tertentu dari partikel berumur pendek. Dalam hal ini, kita mempelajari bagaimana meson B terurai menjadi empat partikel subatom lainnya: satu kaon, satu pion, dan dua muon.
Dengan sedikit imajinasi, seseorang dapat memvisualisasikan susunan partikel yang terlibat seperti seekor penguin. Yang terpenting, pengukuran peluruhan ini memungkinkan kita mempelajari bagaimana satu jenis partikel fundamental, sebuah kuark kecantikan, dapat berubah menjadi kuark aneh lainnya.
Pembusukan penguin ini sangat jarang terjadi pada model standar: untuk setiap juta B meson, hanya satu yang akan membusuk dengan cara ini. Kami telah menganalisis dengan cermat sudut dan energi yang dihasilkan partikel-partikel ini selama peluruhan, dan secara tepat menentukan frekuensi terjadinya proses tersebut. Kami menemukan bahwa pengukuran kami terhadap besaran-besaran ini tidak sesuai dengan prediksi model standar.
Studi yang tepat mengenai peluruhan tersebut telah menjadi salah satu tujuan utama percobaan LHCb sejak dibuat pada tahun 1994. Proses Penguin sangat sensitif terhadap efek partikel baru yang berpotensi sangat berat yang tidak dapat dihasilkan secara langsung di LHC.
Partikel-partikel tersebut masih dapat memberikan pengaruh yang terukur terhadap peluruhan ini meskipun Model Standar hanya memberikan kontribusi yang kecil. Jenis observasi tidak langsung ini bukanlah hal baru. Misalnya, radioaktivitas ditemukan 80 tahun sebelum partikel fundamental yang bertanggung jawab (boson W) terlihat secara langsung.
Arah Masa Depan
Studi kami tentang proses langka memungkinkan kami menjelajahi bagian alam yang mungkin hanya dapat diakses menggunakan penumbuk partikel yang direncanakan pada tahun 2070an. Ada berbagai teori baru yang potensial yang dapat menjelaskan temuan kami. Banyak yang mengandung partikel baru yang disebut “leptoquark” yang menyatukan dua jenis materi: “lepton” dan “quark”.
Teori potensial lainnya mengandung partikel yang analognya lebih berat dari yang telah ditemukan dalam Model Standar. Hasil baru ini membatasi bentuk model ini dan akan memandu penelitian masa depan mengenai model tersebut.
Terlepas dari antusiasme kami, masih ada pertanyaan teoretis terbuka yang menghalangi kami untuk menyatakan secara pasti bahwa fisika di luar Model Standar telah diamati. Pertanyaan yang lebih serius menyangkut “penguin yang menawan”, serangkaian proses yang ada dalam Model Standar, yang kontribusinya sangat sulit diprediksi. Perkiraan terbaru mengenai penguin menawan ini menunjukkan bahwa pengaruhnya tidak cukup besar untuk menjelaskan data kami.
Selain itu, kombinasi model teoretis dan data eksperimen dari LHCb menunjukkan bahwa penguin menawan (dan model standar) mengalami kesulitan dalam menjelaskan hasil anomali tersebut.
Data baru yang telah dikumpulkan akan memungkinkan kita untuk mengkonfirmasi situasi di tahun-tahun mendatang: dalam penelitian kami saat ini, kami mempelajari sekitar 650 miliar peluruhan meson B yang tercatat antara tahun 2011 dan 2018 untuk menemukan peluruhan penguin tersebut. Sejak itu, percobaan LHCb telah mencatat meson B tiga kali lebih banyak.
Kemajuan lebih lanjut direncanakan pada tahun 2030-an untuk memanfaatkan peningkatan LHC di masa depan dan sekali lagi mengumpulkan kumpulan data 15 kali lebih besar. Langkah terakhir ini akan memungkinkan dibuatnya pernyataan definitif, yang berpotensi membuka jalan bagi pemahaman baru tentang cara kerja alam semesta pada tingkat paling dasar.
