"Anda bisa melakukannya dengan cepat, Anda bisa melakukannya dengan murah, atau Anda bisa melakukannya dengan benar. Kami melakukannya dengan benar." Ini adalah beberapa sambutan pembukaan dari David Toback, pemimpin Collider Detector di Fermilab, saat ia mengumumkan hasil eksperimen selama satu dekade untuk mengukur massa partikel yang disebut boson W .
Saya adalah fisikawan partikel energi tinggi , dan saya adalah bagian dari tim yang terdiri dari ratusan ilmuwan yang membangun dan menjalankan Detektor Collider di Fermilab di Illinois — yang dikenal sebagai CDF.
Setelah triliunan tabrakan dan bertahun-tahun pengumpulan data dan penghitungan angka, tim CDF menemukan bahwa boson W memiliki massa sedikit lebih banyak dari yang diperkirakan . Meskipun perbedaannya kecil, hasilnya, yang dijelaskan dalam makalah yang diterbitkan dalam jurnal Science 7 April 2022, telah menggemparkan dunia fisika partikel . Jika pengukurannya benar, itu adalah sinyal kuat lainnya bahwa ada bagian yang hilang dari teka-teki fisika tentang cara kerja alam semesta.
Partikel yang Membawa Gaya Lemah
Model Standar fisika partikel adalah kerangka terbaik sains saat ini untuk hukum dasar alam semesta dan menjelaskan tiga gaya dasar : gaya elektromagnetik, gaya lemah, dan gaya kuat.
Gaya kuat menyatukan inti atom. Tetapi beberapa inti tidak stabil dan mengalami peluruhan radioaktif, melepaskan energi secara perlahan dengan memancarkan partikel. Proses ini didorong oleh gaya lemah, dan sejak awal 1900-an, fisikawan mencari penjelasan mengapa dan bagaimana atom meluruh.
Menurut Model Standar, gaya ditransmisikan oleh partikel. Pada 1960-an, serangkaian terobosan teoretis dan eksperimental mengusulkan bahwa gaya lemah ditransmisikan oleh partikel yang disebut boson W dan Z. Ia juga mendalilkan bahwa partikel ketiga, boson Higgs, adalah apa yang memberi semua partikel lain — termasuk boson W dan Z — massa.
Sejak munculnya Model Standar pada 1960-an, para ilmuwan telah menelusuri daftar partikel yang diprediksi belum ditemukan dan mengukur sifat-sifatnya. Pada tahun 1983, dua percobaan di CERN di Jenewa, Swiss, menangkap bukti pertama keberadaan boson W. Tampaknya memiliki massa kira-kira atom berukuran sedang seperti bromin.
Pada tahun 2000-an, hanya ada satu bagian yang hilang untuk melengkapi Model Standar dan menyatukan semuanya: Higgs boson. Saya membantu mencari Higgs boson pada tiga percobaan berturut-turut, dan akhirnya kami menemukannya pada tahun 2012 di Large Hadron Collider di CERN.
Model Standar telah selesai, dan semua pengukuran yang kami lakukan tergantung bersama dengan indah dengan prediksi.
Mengukur Boson W
Menguji Model Standar itu menyenangkan. Anda hanya perlu menghancurkan partikel dengan energi yang sangat tinggi. Tabrakan ini secara singkat menghasilkan partikel yang lebih berat yang kemudian meluruh kembali menjadi partikel yang lebih ringan. Fisikawan menggunakan detektor besar dan sangat sensitif di tempat-tempat seperti Fermilab dan CERN untuk mengukur sifat dan interaksi partikel yang dihasilkan dalam tumbukan ini.
Dalam CDF, boson W diproduksi sekitar satu dari setiap 10 juta kali ketika proton dan antiproton bertabrakan. Antiproton adalah versi antimateri dari proton, dengan massa yang persis sama tetapi muatannya berlawanan. Proton terbuat dari partikel fundamental yang lebih kecil yang disebut quark, dan antiproton terbuat dari antiquark. Ini adalah tabrakan antara quark dan antiquark yang menciptakan boson W . Boson W meluruh begitu cepat sehingga tidak mungkin diukur secara langsung. Jadi fisikawan melacak energi yang dihasilkan dari peluruhannya untuk mengukur massa boson W.
Dalam 40 tahun sejak ilmuwan pertama kali mendeteksi bukti boson W, eksperimen berturut-turut telah mencapai pengukuran massa yang lebih tepat. Tetapi hanya sejak pengukuran Higgs boson — karena memberikan massa pada semua partikel lain — para peneliti dapat memeriksa massa terukur boson W terhadap massa yang diprediksi oleh Model Standar . Prediksi dan eksperimen selalu cocok — sampai sekarang.
Tak Disangka Berat
Detektor CDF di Fermilab sangat baik dalam mengukur boson W secara akurat. Dari tahun 2001 hingga 2011, akselerator menabrakkan proton dengan antiproton triliunan kali, menghasilkan jutaan boson W dan merekam sebanyak mungkin data dari setiap tumbukan.
Tim Fermilab menerbitkan hasil awal menggunakan sebagian kecil data pada tahun 2012. Kami menemukan massanya sedikit meleset, tetapi mendekati prediksi. Tim kemudian menghabiskan satu dekade dengan susah payah menganalisis kumpulan data lengkap. Prosesnya mencakup banyak pemeriksaan silang internal dan membutuhkan simulasi komputer selama bertahun-tahun. Untuk menghindari bias yang merayap ke dalam analisis, tidak ada yang bisa melihat hasil apa pun sampai perhitungan lengkap selesai.
Ketika dunia fisika akhirnya melihat hasilnya pada 7 April 2022, kami semua terkejut. Fisikawan mengukur massa partikel elementer dalam satuan jutaan elektron volt — disingkat menjadi MeV. Massa W boson menjadi 80.433 MeV — 70 MeV lebih tinggi dari yang diprediksi Model Standar. Ini mungkin tampak seperti kelebihan kecil, tetapi pengukurannya akurat hingga dalam 9 MeV. Ini adalah penyimpangan hampir delapan kali margin kesalahan. Ketika rekan-rekan saya dan saya melihat hasilnya, reaksi kami adalah "wow!"
Apa Artinya Ini untuk Model Standar
Fakta bahwa massa yang diukur dari boson W tidak sesuai dengan massa yang diprediksi dalam Model Standar dapat berarti tiga hal. Entah matematikanya salah, pengukurannya salah, atau ada sesuatu yang hilang dari Model Standar.
Pertama, matematika. Untuk menghitung massa boson W, fisikawan menggunakan massa boson Higgs. Eksperimen CERN telah memungkinkan fisikawan untuk mengukur massa Higgs boson hingga seperempat persen. Selain itu, fisikawan teoretis telah mengerjakan perhitungan massa boson W selama beberapa dekade . Meskipun matematikanya canggih, prediksinya solid dan tidak mungkin berubah.
Kemungkinan berikutnya adalah cacat dalam percobaan atau analisis. Fisikawan di seluruh dunia sudah meninjau hasilnya untuk mencoba membuat lubang di dalamnya. Selain itu, eksperimen masa depan di CERN pada akhirnya dapat mencapai hasil yang lebih tepat yang akan mengkonfirmasi atau menyangkal massa Fermilab. Tapi menurut saya, eksperimen ini adalah pengukuran yang sebaik mungkin saat ini.
Itu meninggalkan pilihan terakhir: Ada partikel atau gaya yang tidak dapat dijelaskan yang menyebabkan pergeseran ke atas dalam massa boson W. Bahkan sebelum pengukuran ini, beberapa ahli teori telah mengusulkan partikel atau gaya baru yang potensial yang akan menghasilkan penyimpangan yang diamati. Dalam beberapa bulan dan tahun mendatang, saya mengharapkan sejumlah makalah baru yang berusaha menjelaskan massa boson W yang membingungkan.
Sebagai fisikawan partikel, saya yakin mengatakan bahwa pasti ada lebih banyak fisika yang menunggu untuk ditemukan di luar Model Standar. Jika hasil baru ini bertahan, ini akan menjadi yang terbaru dari serangkaian temuan yang menunjukkan bahwa Model Standar dan pengukuran dunia nyata sering kali tidak cocok. Misteri inilah yang memberi fisikawan petunjuk baru dan alasan baru untuk terus mencari pemahaman yang lebih lengkap tentang materi, energi, ruang, dan waktu.
John Conway adalah fisikawan partikel energi tinggi eksperimental, dan saat ini terlibat dalam dua eksperimen besar: CDF di Fermilab Tevatron di Batavia, Illinois, dan CMS di Large Hadron Collider di CERN di Jenewa, Swiss. Dia menerima dana dari US Department of Energy dan US National Science Foundation.
Artikel ini diterbitkan ulang dari The Conversation di bawah lisensi Creative Commons. Anda dapat menemukan artikel aslinya di sini .
