sebuah ledakan yang bisa menjelaskan hampir segalanya

Pada tahun 2023, sebuah partikel subatom yang disebut neutrino menabrak Bumi dengan energi yang sangat tinggi sehingga hal tersebut mustahil terjadi.

Faktanya, tidak ada sumber di alam semesta yang diketahui mampu menghasilkan energi sebesar itu – 100.000 kali lebih banyak daripada partikel paling energik yang pernah dihasilkan oleh LHC (Large Hadron Collider), akselerator partikel paling kuat di dunia. Namun, tim fisikawan di Universitas Massachusetts Amherst baru-baru ini berhipotesis bahwa hal seperti ini bisa terjadi ketika jenis lubang hitam khusus, yang disebut “lubang hitam primordial kuasi-ekstrim”meledak.

Di tempat yang baru penyelidikan diterbitkan dalam jurnal Physical Review Letters, tim tidak hanya menjelaskan neutrino yang mustahil, tetapi juga menunjukkan hal itu partikel elementer dapat mengungkap sifat dasar Alam Semesta.

Lubang hitam memang ada, dan kita memahami siklus hidupnya dengan baik: sebuah bintang tua yang besar kehabisan bahan bakar, meledak menjadi supernova yang sangat dahsyat, dan meninggalkan area ruang-waktu dengan gravitasi yang begitu kuat sehingga tidak ada apa pun, bahkan cahaya, yang dapat lolos. Lubang hitam ini sangat berat dan pada dasarnya stabil.

Namun, seperti yang dicatat oleh fisikawan Stephen Hawking pada tahun 1970, jenis lubang hitam lainnya – lubang hitam primordial (Primordial Black Hole/BNP) – dapat tercipta bukan karena keruntuhan sebuah bintang, namun dari kondisi primordial Alam Semesta, tak lama setelah Big Bang. Sejauh ini, BNP hanya ada dalam teori dan, seperti lubang hitam pada umumnya, mereka sangat padat sehingga hampir tidak ada yang bisa lolos – yang menjadikannya “hitam”. Namun, terlepas dari kepadatannya, BNP bisa jadi jauh lebih ringan dibandingkan lubang hitam yang telah kita amati sejauh ini. Lebih lanjut, Hawking menunjukkan bahwa lubang hitam purba dapat memancarkan partikel secara perlahan, melalui apa yang sekarang dikenal sebagai lubang hitam “Radiasi Hawking”, jika mereka cukup panas.

“Semakin terang sebuah lubang hitam, maka akan semakin panas dan semakin banyak partikel yang dipancarkannya,” katanya Andrea Thamm, rekan penulis penelitian baru dan asisten profesor fisika di UMass Amherst. “Saat BNP menguap, mereka menjadi semakin ringan dan panas, memancarkan lebih banyak radiasi dalam proses yang tidak terkendali hingga meledak. Radiasi Hawking inilah yang dapat dideteksi oleh teleskop kami.”

Jika ledakan seperti itu teramati, maka kita akan mendapatkan katalog definitif dari semua partikel subatom yang ada, termasuk partikel-partikel yang telah kita amati, seperti elektron, quark, dan Higgs boson, partikel-partikel yang hanya kita teorikan, seperti partikel materi gelap, serta segala sesuatu yang, hingga saat ini, sama sekali tidak diketahui oleh ilmu pengetahuan. Tim UMass Amherst sebelumnya menunjukkan bahwa ledakan semacam itu dapat terjadi dengan frekuensi yang mengejutkan – setiap dekade atau lebih – dan jika kita memperhatikan, instrumen pengamatan kosmos yang ada saat ini dapat merekam ledakan tersebut.

Sejauh ini, semuanya masih bersifat teoritis.

Kemudian, pada tahun 2023, sebuah eksperimen yang disebut Kolaborasi KM3NeT (Teleskop Neutrino Kilometer Kubik) menangkap apa yang disebut neutrino yang mustahil – bukti yang persis seperti yang diasumsikan oleh tim UMass Amherst akan segera kita lihat.

Tapi ada kemunduran: eksperimen serupa, yang disebut IceCube, juga dibuat untuk menangkap neutrino kosmik yang sangat energik, bukan saja tidak mencatat peristiwa tersebut, namun juga tidak pernah mencatat apa pun yang kekuatannya seperseratus. Jika alam semesta memiliki BNP yang relatif padat dan sering meledak, bukankah seharusnya kita dibanjiri dengan neutrino berenergi tinggi? Apa yang bisa menjelaskan perbedaan ini?

“Kami berpendapat bahwa BNP dengan ‘muatan gelap’ – yang kita sebut sebagai lubang hitam primordial kuasi-ekstrim – adalah Apa saja yang hilang“, kata Joaquim Iguaz Juan, peneliti pascadoktoral fisika di UMass Amherst dan salah satu penulis artikel ilmiah. Muatan gelap pada dasarnya adalah salinan gaya listrik biasa yang kita kenal, tetapi mencakup versi elektron yang sangat berat dan teoretis, yang oleh tim disebut sebagai “elektron gelap”.

“Ada model BNP lain yang lebih sederhana,” katanya Michael Baker, rekan penulis dan asisten profesor fisika di UMass Amherst; “Model muatan gelap kami lebih kompleks, yang berarti dapat memberikan model realitas yang lebih akurat. Hebatnya lagi, model kami dapat menjelaskan fenomena yang tidak dapat dijelaskan ini.”

“BNP dengan muatan gelap,” tambah Thamm, “memiliki properti unik dan berperilaku berbeda dari model BNP sederhana lainnya. Kami telah menunjukkan bahwa hal ini dapat memberikan penjelasan atas semua data eksperimen yang tampaknya tidak konsisten.”

Tim yakin bahwa model BNP bermuatan gelap yang mereka buat tidak hanya dapat menjelaskan neutrino, tetapi juga dapat menjawab misteri materi gelap. “Pengamatan terhadap galaksi dan latar belakang gelombang mikro kosmik menunjukkan adanya beberapa jenis materi gelap,” kata Baker.

“Jika hipotesis muatan gelap kami benar,” tambah Iguaz Juan, “maka kami berpendapat demikian mungkin terdapat populasi BNP yang signifikanyang konsisten dengan pengamatan astrofisika lainnya dan menjelaskan semua materi gelap yang hilang di Alam Semesta.”

“Pengamatan neutrino berenergi tinggi merupakan peristiwa yang luar biasa“, Baker menyimpulkan. “Ini memberi kami a jendela baru menuju alam semesta. Namun kita sekarang mungkin berada di ambang verifikasi eksperimental radiasi Hawking, memperoleh bukti keberadaan lubang hitam primordial dan partikel baru di luar Model Standar, dan menjelaskan misteri materi gelap.”