Akselerator Energi Planck

Energi tertinggi yang dapat dibayangkan untuk sebuah partikel elementer disebut energi Planck . Dengan energi ini, mekanika kuantum mengubah sifat gravitasi dan interaksi gravitasi sekuat elektromagnetik, interaksi lemah dan kuat. Energi Planck adalah 19 lipat lebih besar dari massa proton. Untuk mencapainya, sebuah proton harus dipercepat menjadi faktor Lorentz relativistik 10 pangkat 19.

Dalam mekanika kuantum, prinsip ketidakpastian Heisenberg mengimplikasikan bahwa posisi partikel dapat ditentukan hingga presisi yang sama dengan konstanta Planck dibagi dengan momentum partikel. Pada energi Planck, ketidakpastian ini sekecil cakrawala peristiwa lubang hitam dengan massa Planck yang setara.

Big Bang bisa dimulai dengan suhu yang sama dengan energi Planck pada waktu Planck yang 43 kali lipat lebih pendek dari satu detik, tetapi sejak saat itu semua partikel kosmik menjadi sangat dingin oleh ekspansi kosmik. Tidak ada akselerator astrofisika alami yang diharapkan membawa partikel kembali ke energi Planck.

Namun, orang mungkin bertanya-tanya apakah peradaban teknologi maju dapat menginvestasikan sumber daya besar dalam pencarian eksperimental paling ambisius untuk fisika baru dengan menghancurkan proton pada energi setinggi mungkin, dalam semangat perpanjangan akhir dari Large Hadron Collider CERN . Apa yang dibutuhkan oleh akselerator energi-Planck?

Dalam sebuah makalah tahun 1951 , fisikawan Harvard Julian Schwingermenurunkan batas atas kekuatan medan listrik. Ketika diterjemahkan ke dalam konteks kita, medan listrik maksimum ini sesuai dengan penurunan potensial listrik dari energi Planck lebih dari sepuluh kali ukuran Matahari. Medan listrik yang lebih kuat rusak dengan secara spontan menciptakan pasangan elektron-positron dari ruang hampa. Menurut elektrodinamika kuantum, ruang hampa mengandung fluktuasi pasangan elektron-positron virtual. Akibatnya, amplitudo medan yang mewakili penurunan potensial listrik dua kali massa elektron di atas ketidakpastian skala panjang yang terkait dengan massa elektron, akan menghasilkan pasangan ini dan menurun dengan cepat ke amplitudo yang lebih lemah. Ini menyiratkan bahwa ukuran akselerator energi-Planck yang diperlukan harus lebih besar dari sepuluh kali ukuran Matahari.

Sinar akselerator dapat melepaskan partikel energik jika akselerasi terjadi dalam jet dengan faktor Lorentz curah yang cukup besar, sehingga energi yang diamati dari partikel yang dipercepat didorong oleh faktor Lorentz dari aliran keluar di mana akselerasi terjadi. Situasinya mirip dengan yang ditemui dalam semburan sinar gamma yang berasal dari jet relativistik. Kondisi transparansi untuk mencapai energi Planck membutuhkan aliran keluar dengan faktor Lorentz massal lebih dari satu juta. Meskipun tantangan ini pada prinsipnya dapat dicapai, ada rintangan yang lebih besar terkait dengan kelemahan penampang interaksi pada energi Planck.

Berdasarkan prinsip kesatuan , penampang tumbukan berkas proton yang berlawanan dengan pusat energi massa sama dengan energi Planck adalah kuadrat dari skala panjang Planck, kira-kira konstanta Newton dikalikan konstanta Planck dibagi kecepatan cahaya pangkat tiga. Penampang melintang ini 41 kali lipat lebih kecil daripada penampang total tumbukan proton-proton. Rasio besar antara keduanya berarti bahwa hanya satu tumbukan dalam 10 pangkat 41 tumbukan proton pada energi Planck akan menghasilkan interaksi energi Planck sementara sisanya akan menyebabkan hujan partikel berenergi lebih rendah. Untuk menghasilkan satu neutrino energi Planck dari tabrakan proton energi tinggi satu sama lain, diperlukan pasokan energi total 10 pangkat 41 kali energi Planck atau setara dengan seribu kali massa Matahari.

Persyaratan yang tidak realistis ini berarti bahwa jika kita mendeteksi neutrino energi Planck maka pasti ada asal yang berbeda untuk produksinya daripada akselerator yang direkayasa secara teknologi.

Salah satu kemungkinannya adalah partikel energi Planck adalah peninggalan lubang hitam purba dengan massa kurang dari asteroid berukuran satu kilometer, yang menguap oleh radiasi Hawking selama usia Alam Semesta. Kemungkinan lain adalah bahwa partikel energi Planck adalah produk peluruhan dari partikel yang lebih masif, mungkin membuat beberapa materi gelap.

Namun, kita tidak boleh mengesampingkan kemungkinan bahwa pemahaman kita tentang fisika saat ini tidak lengkap. Sebagian besar bintang mirip Matahari terbentuk miliaran tahun sebelum Matahari. Peradaban ilmiah maju yang mendahului kita satu miliar tahun dapat menemukan jalan pintas untuk membuat pembawa pesan energi Planck. Jika kita pernah mendeteksi seberkas neutrino energi Planck, kita akan tahu ke mana harus mencari fisika baru.

Kita harus menjelajahi Semesta secara agnostik sebagai pengalaman belajar. Menemukan ilmuwan ekstraterestrial yang lebih pintar di lingkungan kosmik kita mungkin merupakan cara yang lebih cepat bagi kita untuk belajar tentang fisika energi-Planck daripada menunggu lembaga pendanaan kita sendiri untuk membangun akselerator energi-Planck. Anak perempuan saya mengalami kejutan psikologis ketika mereka bertemu dengan anak yang lebih pintar di hari pertama mereka di taman kanak-kanak. Mungkin merupakan pukulan bagi ego kita untuk mengakui bahwa seorang ilmuwan yang lebih pintar dari Albert Einstein lahir di planet ekstrasurya satu miliar tahun yang lalu. Tetapi jika menyerah pada arogansi ilmiah kita adalah satu-satunya harga yang harus kita bayar untuk menghemat satu miliar tahun dalam eksplorasi ilmiah kita - biarlah.

TENTANG PENULIS

Avi Loeb adalah kepala Proyek Galileo, direktur pendiri Inisiatif Lubang Hitam Universitas Harvard, direktur Institut Teori dan Komputasi di Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian, dan mantan ketua departemen astronomi di Universitas Harvard (2011 –2020). Dia memimpin dewan penasihat untuk proyek Breakthrough Starshot, dan merupakan mantan anggota Dewan Penasihat Presiden untuk Sains dan Teknologi dan mantan ketua Dewan Fisika dan Astronomi Akademi Nasional. Dia adalah penulis buku terlaris “ Extraterrestrial: The First Sign of Intelligent Life Beyond Earth ” dan salah satu penulis buku teks “ Life in the Cosmos ”, keduanya diterbitkan pada tahun 2021. Buku barunya berjudul “ Interstellar ”, dijadwalkan untuk diterbitkan pada Agustus 2023.