Jika fisikawan partikel berhasil, akselerator baru suatu hari nanti mungkin akan meneliti partikel subatomik paling aneh dalam fisika, boson Higgs. Enam tahun setelah penemuan partikel ini di Large Hadron Collider, fisikawan sedang merencanakan mesin baru yang sangat besar yang akan membentang puluhan kilometer di Eropa, Jepang atau Cina.
Colliders baru: apa yang akan mereka lakukan
Penemuan partikel subatomik ini, yang mengungkapkan asal mula massa, mengarah pada penyempurnaan Model Standar, teori fisika partikel yang menyeluruh. Dan itu juga menjadi pencapaian penting bagi LHC, yang saat ini merupakan akselerator terbesar di dunia - lagipula, ia dibangun untuk mencari Higgs boson, meskipun tidak hanya.
Sekarang, fisikawan ingin menyelidiki lebih dalam misteri boson Higgs dengan harapan itu akan menjadi kunci untuk memecahkan masalah fisika partikel yang sudah berlangsung lama. "Higgs adalah partikel khusus," kata fisikawan Yifang Wang, direktur Institut Fisika Energi Tinggi di Beijing. "Kami percaya Higgs adalah jendela ke masa depan."
Large Hadron Collider, juga dikenal sebagai LHC, terdiri dari cincin sepanjang 27 kilometer, di dalamnya proton berakselerasi hingga hampir mencapai kecepatan cahaya dan bertabrakan miliaran kali per detik, telah hampir mencapai batasnya. Dia melakukan pekerjaan yang sangat baik untuk menemukan Higgs, tetapi dia tidak cocok untuk penelitian terperinci.
Oleh karena itu, fisikawan partikel menuntut penumbuk partikel baru yang dirancang khusus untuk meluncurkan tumpukan boson Higgs. Beberapa desain telah diusulkan untuk mesin baru yang kuat ini, dan para ilmuwan berharap pabrik Higgs ini dapat membantu menemukan solusi untuk kelemahan mencolok Model Standar.
Video promosi:
"Model Standar bukanlah teori lengkap tentang alam semesta," kata fisikawan partikel eksperimental Galina Abramovich dari Universitas Tel Aviv. Misalnya, teori ini tidak menjelaskan materi gelap, suatu zat tak dikenal yang massanya diperlukan untuk menjelaskan pengamatan kosmik seperti gerakan bintang di galaksi. Ia juga gagal menjelaskan mengapa alam semesta terbuat dari materi, sedangkan antimateri sangat jarang.
Para pendukung colliders baru berpendapat bahwa studi yang cermat terhadap Higgs boson dapat mengarahkan para ilmuwan ke jalan untuk memecahkan misteri ini. Namun di kalangan ilmuwan, keinginan akselerator mahal baru tidak didukung oleh semua orang. Selain itu, tidak jelas mesin seperti apa yang dapat ditemukan.
Baris berikutnya
Baris pertama adalah International Linear Collider di utara Jepang. Berbeda dengan LHC, di mana partikel-partikel bergerak dalam sebuah cincin, MLC mempercepat dua berkas partikel dalam satu garis lurus, tepat di atas satu sama lain, sepanjang 20 kilometernya. Dan alih-alih mendorong proton bersama, ia mendorong elektron dan mitra antimateri mereka, positron.
Namun, pada bulan Desember 2018, komite interdisipliner dari Dewan Ilmiah Jepang menentang proyek tersebut, mendesak pemerintah untuk berhati-hati dengan dukungannya dan bertanya-tanya apakah kemajuan ilmiah yang diharapkan dapat membenarkan biaya penumbuk tersebut, yang saat ini diperkirakan mencapai $ 5 miliar.
Para pendukung berpendapat bahwa rencana MLK untuk bertabrakan dengan elektron dan positron, daripada proton, memiliki beberapa keuntungan utama. Elektron dan positron adalah partikel elementer, artinya, mereka tidak memiliki komponen yang lebih kecil, dan proton terdiri dari partikel yang lebih kecil - quark. Ini berarti tumbukan proton akan lebih kacau dan menciptakan lebih banyak puing partikel yang tidak berguna yang harus disaring.
Selain itu, dalam tumbukan proton, hanya sebagian energi dari setiap proton yang benar-benar jatuh ke dalam tumbukan, sedangkan pada tumbukan elektron-positron, partikel mentransfer energi total ke dalam tumbukan. Ini berarti para ilmuwan dapat menyesuaikan energi tabrakan untuk memaksimalkan jumlah boson Higgs yang dihasilkan. Pada saat yang sama, MLK hanya membutuhkan 250 miliar elektron volt untuk menghasilkan boson Higgs, dibandingkan dengan 13 triliun elektron volt di LHC.
Di MLK, "kualitas datanya akan jauh lebih baik," kata fisikawan partikel Lyn Evans dari CERN di Jenewa. Satu dari setiap 100 tabrakan di MLK akan menghasilkan Higgs boson, sedangkan di LHC ini terjadi sekali setiap 10 miliar tabrakan.
Pemerintah Jepang diharapkan membuat keputusan tentang collider pada Maret. Evans mengatakan bahwa jika MLK disetujui, akan memakan waktu sekitar 12 tahun untuk membangunnya. Nantinya, akselerator juga bisa ditingkatkan untuk menambah energi yang bisa dijangkau.
CERN berencana membangun mesin serupa, Compact Linear Collider (CLIC). Ia juga akan bertabrakan dengan elektron dan positron, tetapi pada energi yang lebih tinggi daripada MLK. Energinya akan mulai dari 380 miliar elektron volt dan akan meningkat menjadi 3 triliun elektron volt dalam serangkaian pembaruan. Untuk mencapai energi yang lebih tinggi ini, teknologi akselerasi partikel baru perlu dikembangkan, yang berarti CLIC tidak akan muncul sebelum MLK, kata Evans, yang memimpin kolaborasi penelitian di kedua proyek tersebut.
Berlari dalam lingkaran
Dua colliders terencana lainnya, di Cina dan Eropa, akan bulat seperti LHC, tetapi jauh lebih besar: masing-masing dengan keliling 100 kilometer. Ini adalah lingkaran yang cukup besar untuk mengelilingi negara Liechtenstein dua kali. Ini praktis panjang Jalan Lingkar Moskow.
Penumbuk elektron-positron melingkar, yang lokasi konstruksinya di China belum ditentukan, akan bertabrakan dengan 240 miliar elektron-volt elektron dan positron, menurut rencana konseptual yang secara resmi diluncurkan pada November dan disponsori oleh Wang dan Institut Fisika Energi Tinggi. Akselerator ini nantinya dapat ditingkatkan untuk bertabrakan dengan proton berenergi tinggi. Para ilmuwan mengatakan mereka dapat mulai membangun mesin senilai $ 5-6 miliar ini pada tahun 2022 dan menyelesaikannya pada tahun 2030.
Dan di CERN yang diusulkan Future Circular Collider, BKK, juga akan beroperasi secara bertahap, bertabrakan elektron dengan positron, dan kemudian proton. Tujuan utamanya adalah mencapai tumbukan proton pada 100 triliun elektron volt, lebih dari tujuh kali energi LHC.
Sementara itu, para ilmuwan telah mematikan LHC selama dua tahun, meningkatkan mesin agar berjalan dengan energi yang lebih tinggi. Pada tahun 2026, LHC dengan luminositas tinggi akan mulai bekerja, yang akan meningkatkan frekuensi tumbukan proton setidaknya lima kali lipat.
Potret Higgs
Ketika LHC dibangun, para ilmuwan cukup percaya diri untuk menemukan Higgs boson bersamanya. Tetapi dengan mesin baru, tidak jelas partikel baru apa yang harus dicari. Mereka hanya akan membuat katalog seberapa kuat Higgs berinteraksi dengan partikel lain yang diketahui.
Pengukuran interaksi Higgs dapat mengkonfirmasi ekspektasi Model Standar. Tetapi jika pengamatan berbeda dari ekspektasi, perbedaan tersebut secara tidak langsung dapat menunjukkan adanya sesuatu yang baru, seperti partikel yang menyusun materi gelap.
Beberapa ilmuwan berharap sesuatu yang tidak terduga akan terjadi. Karena Higgs boson sendiri adalah sebuah misteri: partikel-partikel ini mengembun menjadi cairan mirip molase. Mengapa? Kami tidak tahu, kata ahli teori partikel Michael Peskin dari Universitas Stanford. Cairan ini menembus alam semesta, memperlambat partikel dan memberi mereka bobot.
Misteri lain adalah bahwa massa Higgs satu juta miliar lebih kecil dari yang diperkirakan. Keanehan ini mungkin menunjukkan bahwa ada partikel lain. Para ilmuwan sebelumnya mengira mereka dapat menjawab masalah Higgs dengan bantuan teori supersimetri - konsonan yang setiap partikelnya memiliki pasangan yang lebih berat. Tapi ini tidak terjadi, karena LHC tidak menemukan jejak partikel supersimetris.
Penumbuk masa depan mungkin masih menemukan bukti supersimetri atau petunjuk tentang partikel baru, tetapi kali ini para ilmuwan tidak akan menjanjikan. Mereka sekarang lebih sibuk mengembangkan prioritas dan membuat argumen yang mendukung colliders baru dan eksperimen lain dalam fisika partikel. Satu hal yang pasti: akselerator yang diusulkan akan menjelajahi wilayah yang tidak diketahui dengan hasil yang tidak dapat diprediksi.
Ilya Khel
