BAGIKAN
Ilustrasi partikel Higgs boson. Credit: CERN/AFP

Pada tahun 2012, partikel partikel saling bertubrukan dalam Large Hadron Collider, sebuah tabung raksasa berdiameter 27 km memecah menjadi partikel Higgs boson- partikel fundamental (partikel yang tidak dapat dibagi lagi) seperti yang diprediksi Peter Higgs dan ilmuwan ahli fisika lainnya pada tahun 1960an.

Penemuan partikel Higgs Boson di tahun 2012 menghantarkan Peter Higgs dan Francois Englert hadiah Nobel bidang Fisika tahun 2013. Keduanya adalah ahli fisika yang mencetuskan teori yang dikenal dengan mekanisme Higgs di tahun 1960-an.

Apa itu partikel Higgs Boson dan apa pula partikel boson?

Setiap materi di alam semesta ini terbentuk dari atom-atom. Seperti yang kita ketahui, atom terdiri dari inti atom (proton dan neuron) serta elektron yang mengelilinginya. Elektron sangat kecil dibanding dengan inti atom sehingga tidak memberi sumbangan berarti bagi massa atom, bila kita berasumsi bahwa massa atom berasal dari proton dan neuron, ternyata itu tidak benar. Proton dan neuron tersusun dari tiga buah partikel elementer yang disebut quark. Massa proton dan neuron tidak berasal dari penjumlahan massa quark ini, melainkan dari energi yang mengikat mereka.

Tanpa adanya massa, partikel-partikel elementer ini akan terus menerus bergerak dalam kecepatan cahaya tanpa ada yang bisa memberhentikannya. Quark tidak akan saling mengikat membentuk proton dan neutron sehingga inti atom tidak akan terbentuk. Tanpa adanya atom, makanya semesta beserta isinya tidak akan terbentuk.

Fisikawan Peter Higgs mencetuskan ide tentang adanya materi yang mengisi seluruh ruang antar partikel, disebut dengan medan Higgs (Higgs field). Medan ini berperan bagaikan lumpur yang membuat kaki kita sulit bergerak ketika tercebur didalamnya. Partikel-partikel elementer seperti quark dan elektron mendapatkan massa karena berinteraksi dengan medan Higgs. Semakin kuat interaksi mereka, semakin besar massa yang didapatkan. Eksitasi atau cipratan medan higgs inilah yang disebut partikel Higgs Boson.

Boson adalah nama partikel-partikel yang cenderung bergerombol dengan partikel-partikel sejenisnya, sedangkan partikel Higgs Boson adalah partikel Boson yang juga berinteraksi dengan partikel-partikel penyusun materi lainnya sehingga menyebabkannya memiliki massa.

Kecuali Higgs Boson, semua materi dalam model standard fisika partikel sudah ditemukan sebelumnya. Model standard menyatakan bahwa partikel penyusun materi terdiri dari dua tipe: quark dan lepton, dan masing-masing memiliki 6 jenis partikel. Sementara itu partikel perantara interaksi antar materi disebut Boson. Masing-masing boson membawa gaya sendiri, gluon membawa gaya nuklir kuat, foton membawa gaya elektromagnetik, W dan Z boson membawa gaya nuklir lemah, dan graviton membawa gaya gravitasi. Higgs boson mengisi satu kekosongan yang belum terisi, yaitu: massa.

Empat gaya fundamental (gravitasi, elekromagnetik, nuklir lemah dan nuklir kuat) memegang peranan penting dalam pembentukan materi alam semesta. Namun, sebelum keempat gaya ini ada, hanya ada satu gaya tunggal, yang disebut supergaya (superforce). Disinilah peranan Higgs boson yang memecah gaya tunggal menjadi empat gaya fundamental. Tanpa partikel Higgs Boson, keempat gaya fundamental tersebut tidak akan pernah ada.

Goddamn Particle (Partikel sialan)

Penemuan partikel Higgs boson melalui eksperimen yang panjang dan biaya yang sangat mahal. Secara teoretis, partikel ini sangat sulit dideteksi keberadaanya. Untuk memunculkan partikel ini dibutuhkan energi yang sangat besar sehingga dibangunlah  akselerator raksasa Large Hadron Collider, semacam magnet super raksasa berbentuk cincin dengan keliling lingkarannya 27 kilometer, milik CERN – organisasi Eropa untuk riset nuklir – di Genewa, Swiss. Masalah lainnya adalah, partikel ini berumur sangat singkat, yaitu hanya 10-22 detik dan akan segera berubah menjadi partikel-partikel lainnya.

The Large Hadron Collider. Credit: Atlas Obscura

Partikel Higgs Boson ini, juga dikenal dengan nama “Partikel Tuhan”, sebuah istilah yang pertama kali dipakai dalam buku “The God Particle” karya Ahli fisika Leon Lederman di tahun 1993. Sebenarnya, Lederman hanya ingin memberi sebutan untuk partikel Higgs dengan “The Goddamn Particle”, partikel sialan. Sebutan ini muncul karena betapa sulit dan mahalnya upaya untuk menemukan partikel ini. Namun oleh editor buku tersebut, judulnya dirubah menjadi “The God Particle” yang malah menjadi populer hingga kini. Namun para ahli fisika tidak pernah menyebut partikel Higgs ini sebagai partikel Tuhan walau dalam konteks informal sekalipun.

Pembangunan LHC memakan waktu 10 tahun dan menghabiskan dana sebesar 9 milyar dollar, dengan melibatkan sekitar 10.000 ilmuwan dari 100 negara di dunia.

Menemukan materi ‘dunia gelap’ yang misterius

Ilustrasi materi gelap. Credit: Phys.org

Setelah partikel Higgs boson akhirnya ditemukan, baru baru ini para peneliti di fasilitas Large Hadron Collider dikabarkan tengah menyiapkan eksperimen untuk menangkap materi gelap yang misterius.

Semesta kita dikelilingi oleh materi gelap dan juga energi gelap -sesuatu yang tidak terlihat, tetapi mengikat galaksi dan seisinya menjadi kesatuan yang utuh, dan tidak ada satupun yang bisa mendeteksinya secara langsung. “Kita semua tahu, bahwa ada ‘dunia gelap’, dan lebih banyak energi tersimpan di sana daripada di dunia kita,” kata Lin Tao Wang, dari Unversity of Chicago yang sedang mempelajari bagaimana membaca tanda-tanda keberadaan partikel pada akselelator raksasa LHC.

Wang, bersama dengan beberapa ilmuwan dari University of Chicago yang berafiliasi dengan Fermilab, menerbitkan laporan mereka di Physical Review Letters, tentang metoda inovatif untuk melacak materi gelap dalam LHC dengan mengeksploitasi kecepatan partikel potensial menjadi sedikit lebih lambat.

Walaupun ‘dunia gelap’ diketahui mengisi sekitar 95 persen dari seluruh alam semesta ini, para ilmuwan hanya dapat merasakan keberadaannya dari efek yang dihasilkannya. Sebagai contoh, kita tahu bahwa materi gelap itu ada karena kita bisa merasakan gaya gravitasi yang dihasilkannya, menyebabkan galaksi kita beserta isinya tetap utuh.

Para ilmuwan berteori bahwa ada sejenis partikel gelap yang hanya sesekali berinteraksi dengan materi normal lainnya. Partikel ini memiliki massa yang lebih berat berumur lebih panjang dari partikel lainnya yang pernah diketahui, dengan umur partikel hingga sepersepuluh detik. Beberapa kali dalam satu dekade, peneliti meyakini, partikel ini bisa ‘ditangkap’ ketika terjadi proses tumbukan antar proton dalam fasilitas LHC yang memang secara rutin dilakukan dan diukur.

“Satu kemungkinan yang menarik adalah partikel yang berumur panjang ini berinteraksi dengan partikel Higgs Boson, dan partikel Higgs Boson adalah portal untuk mengungkap dunia gelap,” kata Wang. “Sangat mungkin bahwa partikel ini adalah partikel Higgs Boson yang telah ‘mati’ dan kemudian berubah menjadi partikel yang berumur panjang ini.”

Satu-satunya masalah adalah bagaimana bisa memilah kejadian ini dari kejadian lainnya; bisa terjadi lebih dari milyaran peristiwa tubrukan per-detik dalam LHC yang berukuran 27 kilometer, dan setiap peristiwa menghasilkan partikel subatomik yang tersebar ke segala arah.

Wang dan rekannya Jia Liu dari University of Chicago dan ilmuwan dari Fermilab, Zhen Liu, mencetuskan suatu cara dengan mengeksploitasi satu aspek dari sebuah partikel gelap. “Jika partikel ini memiliki massa, akan membutuhkan energi untuk membentuknya, jadi kecepatannya tidak akan besar – tidak akan bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya,” kata Liu, pimpinan penelitian ini.

Penundaan waktu ini, akan memisahkan partikel ini dari partikel normal lainnya. Para ilmuwan hanya perlu merubah sistem untuk mencari partikel yang terbentuk dan kemudian partikel akan sedikit lambat untuk berubah menjadi partikel lainnya.

Perbedaan waktunya dalam nanosecond – satu per-satu milyar perdetik- atau bahkan akan lebih kecil dari itu. Tetapi LHC telah dilengkapi dengan detektor canggih yang bisa menangkap perbedaan ini; penelitian terbaru dengan mengunakan data dari percobaan sebelumnya dan penemuan metoda terbaru seharusnya bisa menangkap peristiwa tersebut, ditambah detektor yang akan diperbaharui sehingga menjadi lebih sensitif dari sebelumnya. Proses pembaharuan detektor sedang berjalan hingga sekarang.

“Kami mengantisipasi percobaan dengan metoda ini dengan meningkatkan sensitivitas untuk menemukan partikel gelap hingga berkali-kali lipat – jika kita menggunakan kemampuan yang telah kita miliki pada LHC,” kata Liu.

Para peneliti tengah bekerja untuk membangun ‘jebakan’ ini: ketika LHC dinyalakan kembali tahun 2021 nanti, setelah menambahkan tingkat radiasi hingga sepuluh kali lipat, ketiga detektor utama akan menjalankan sistem baru ini, kata para ilmuwan CERN. “Kami yakin akan potensi besar bagi penemuan (partikel gelap),” kata Liu.

Jika partikel itu ada disana, kami akan mencari cara untuk mengambilnya,” kata Wang. “Biasanya, kuncinya adalah menemukan pertanyaan untuk ditanyakan.”