T. & R. Annan & Sons/Galeri Nasional Scotland Commons
William Thomson (Tuan Kelvin)
Fisikawan Jepang menghidupkan kembali gagasan abad ke-19 yang dapat menjelaskan segalanya. “Node kosmik” adalah “kakek” dari semua materi di alam semesta, dan neutrino adalah “orang tua” mereka.
Sebuah hipotesis lama oleh fisikawan Inggris Tuan Kelvin, sudah lama dianggap ketinggalan zaman, teori ini mungkin pada akhirnya menyembunyikan kunci salah satu misteri terbesar dalam kosmologi: mengapa Alam Semesta terbuat dari materi dan bukan antimateri.
Pada tahun 1867, Kelvin menyatakan bahwa atom dapat berupa simpul-simpul kecil yang terjalin dalam “eter” kosmik. Ide tersebut akhirnya terbuang seiring dengan ditemukannya struktur atom yang sebenarnya, namun lebih dari 150 tahun kemudian para peneliti Jepang memberinya kehidupan baru – dan sekarang percaya bahwa “simpul kosmik” serupa bahkan mungkin memainkan peran yang menentukan pada momen-momen pertama kosmos.
Penelitian, diterbitkan dalam jurnal Physical Review Letters dan dipimpin oleh Muneto Nitta dan Minoru Eto, dari International Institute for Sustainability with Intertwined Chiral Matter (WPI-SKCM2) di Universitas Hiroshima, bekerja sama dengan Yu Hamada, dari pusat Jerman Deutsches Elektronen-Synchrotron, menunjukkan bahwa formasi ini dapat muncul secara alami dalam model fisika partikel realistis dan bahwa keruntuhannya mungkin telah menciptakan sedikit ketidakseimbangan antara materi dan antimateri yang memungkinkan adanya segala sesuatu yang kita ketahui — dari bintang hingga manusia.
Teka-teki hilangnya antimateri
Menurut model Big Bang, Alam Semesta seharusnya dilahirkan dengan jumlah materi dan antimateri yang sama, yang akan saling memusnahkan hingga hanya radiasi yang tersisa. Namun pengamatan menunjukkan bahwa kosmos hampir seluruhnya terdiri dari materi. Menurut perhitungan, untuk setiap miliar pasangan materi-antimateri yang terbentuk pada awal waktu, hanya setitik materi yang selamat.
Penjelasan atas perbedaan ini — sebuah fenomena yang dikenal sebagai baryogen — masih lolos dari Model Standar fisika partikel, yang kemampuannya memprediksi ketidakseimbangan ini sangat terbatas. Pemecahan masalah ini telah menjadi salah satu prioritas besar teori fisika selama beberapa dekade Harian SciTech.
Dua simetri dan simpul
Tim Jepang yakin mereka telah menemukan petunjuk penting dengan menggabungkan dua perluasan Model Standar yang diketahui: simetri Bilangan Baryon dikurangi Bilangan Lepton (B–L) dan simetri Peccei–Quinn (PQ). Yang pertama menjelaskan asal usul massa partikel hantu yang disebut neutrino; yang kedua memecahkan apa yang disebut “masalah CP kuat” — tidak adanya momen dipol listrik yang dapat diukur dalam neutron — dan memperkenalkan aksikandidat partikel materi gelap yang menjanjikan.
Dengan mempelajari kedua kesimetrian ini secara bersamaan (sesuatu yang belum pernah dilakukan sebelumnya), para peneliti menemukan hal itu alam semesta awal mungkin secara spontan menghasilkan struktur-struktur yang saling terkaitmirip dengan kita, yang mengumpulkan energi dan memiliki sifat magnetis dan superfluida. Simpul-simpul ini adalah formasi stabil dan terlindungi secara topologi yang muncul ketika simetri fundamental “rusak” selama pendinginan kosmik setelah Big Bang.
Usia kita
Meskipun radiasi kehilangan energi seiring dengan perluasan ruang, simpul-simpul ini berperilaku seperti materi, dan menghilang jauh lebih lambat. Untuk jangka waktu singkat, mereka mendominasi energi total alam semestasebelum mereka mulai hancur melalui proses kuantum yang dikenal sebagai penerowongan, di mana partikel melintasi hambatan energi yang tampaknya tidak dapat diatasi.
Ketika simpul tersebut runtuh, simpul tersebut melepaskan partikel berat — yaitu neutrino lurus, yang diprediksi oleh simetri B–L — yang, ketika mereka membusuk, mereka lebih menyukai produksi materi daripada merugikan antimateri. Perbedaan ini cukup untuk menghasilkan semua materi yang membentuk kosmos saat ini.
Perhitungan para ilmuwan menunjukkan bahwa, ketika mengasumsikan massa sekitar 10¹² giga-electron volt (GeV) untuk neutrino berat dan mempertimbangkan bahwa node menyalurkan sebagian besar energinya untuk menghasilkan partikel-partikel ini, model ini secara alami mereproduksi ketidakseimbangan antara materi dan antimateri yang diamati di Alam Semesta. Runtuhnya simpul-simpul tersebut akan memanaskan kembali kosmos hingga sekitar 100 GeV – tepatnya suhu ambang batas di mana reaksi yang mengubah kelebihan neutrino menjadi materi berhenti terjadi.
Proses ini juga akan mengubah latar belakang gelombang gravitasi alam semesta, sehingga condong ke frekuensi yang lebih tinggi. “Tanda tangan” ini dapat dideteksi di masa depan oleh observatorium besar yang telah kami bangun dan rencanakan untuk kami bangun di sini.
Meskipun penelitian ini masih bersifat teoretis, penulis percaya bahwa model mereka kuat, karena stabilitas topologi node tidak bergantung pada detail spesifik teori.
Kali ini, 150 tahun kemudian, kita bukanlah penyusun atom, tapi mungkin pendahulu kosmiknya. Atau “kakek-nenek”, jika Anda ingin memanggil mereka demikian.
Jika terkonfirmasi, teori tersebut akhirnya dapat menyatukan potongan-potongan yang telah lama tersebar, mulai dari asal mula massa neutrino hingga sifat materi gelap.
