Akselerator partikel digunakan sebagai alat penelitian untuk mempelajari alam semesta yang sangat awal. Penumbuk hadron (terutama Large Hadron Collider LHC milik CERN) dan penumbuk elektron-positron berada di garis depan dalam eksplorasi alam semesta yang sangat awal. Eksperimen ATLAS dan CMS di Large Hadron Collider (LHC) berhasil menemukan boson Higgs pada tahun 2012. Penumbuk muon dapat sangat berguna dalam penelitian semacam itu, tetapi hal itu belum menjadi kenyataan. Para peneliti kini telah berhasil mempercepat muon positif hingga sekitar 4% dari kecepatan cahaya. Ini adalah pendinginan dan percepatan muon pertama di dunia. Sebagai demonstrasi bukti konsep, hal ini membuka jalan bagi realisasi akselerator muon pertama dalam waktu dekat.
Alam semesta awal saat ini sedang dipelajari oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST). Didedikasikan secara eksklusif untuk mempelajari alam semesta awal, JWST melakukannya dengan menangkap sinyal optik/inframerah dari bintang-bintang dan galaksi-galaksi awal yang terbentuk di Alam Semesta setelah Big Bang. Baru-baru ini, JWST berhasil menemukan galaksi terjauh JADES-GS-z14-0 yang terbentuk di alam semesta awal sekitar 290 juta tahun setelah Big Bang.
Ada tiga fase alam semesta – era radiasi, era materi, dan era energi gelap saat ini. Dari Big Bang hingga sekitar 50,000 tahun, alam semesta didominasi oleh radiasi. Ini diikuti oleh era materi. Zaman galaksi era materi yang berlangsung dari sekitar 200 juta tahun setelah Big Bang hingga sekitar 3 miliar tahun setelah Big Bang ditandai dengan pembentukan struktur besar seperti galaksi. Zaman ini biasanya disebut sebagai "alam semesta awal" yang dipelajari JWST.
“Alam semesta yang sangat awal” mengacu pada fase paling awal alam semesta segera setelah Big Bang ketika alam semesta sangat panas dan didominasi sepenuhnya oleh radiasi. Zaman Plank adalah zaman pertama era radiasi yang berlangsung dari Big Bang hingga 10-43 s. Dengan suhu 1032 K, alam semesta sangat panas pada zaman ini. Zaman Planck diikuti oleh zaman Quark, Lepton, dan Nuklir; semuanya berumur pendek tetapi ditandai oleh suhu yang sangat tinggi yang secara bertahap berkurang seiring dengan perluasan alam semesta.
Studi langsung tentang fase paling awal alam semesta ini tidak mungkin dilakukan. Yang dapat dilakukan adalah menciptakan kembali kondisi tiga menit pertama alam semesta setelah Big Bang dalam akselerator partikel. Data yang dihasilkan oleh tumbukan partikel dalam akselerator/penumbuk menawarkan jendela tidak langsung ke alam semesta yang sangat awal.
Collider merupakan alat penelitian yang sangat penting dalam fisika partikel. Alat ini merupakan mesin melingkar atau linier yang mempercepat partikel hingga kecepatan yang sangat tinggi, mendekati kecepatan cahaya, dan memungkinkan partikel tersebut bertabrakan dengan partikel lain yang datang dari arah berlawanan atau terhadap target. Tumbukan tersebut menghasilkan suhu yang sangat tinggi dalam orde triliunan Kelvin (mirip dengan kondisi yang ada pada zaman awal era radiasi). Energi partikel yang bertabrakan ditambahkan sehingga energi tumbukan menjadi lebih tinggi yang diubah menjadi materi dalam bentuk partikel masif yang ada di alam semesta yang sangat awal sesuai dengan simetri massa-energi. Interaksi antara partikel berenergi tinggi dalam kondisi yang ada di alam semesta yang sangat awal memberikan jendela ke dunia yang sebelumnya tidak dapat diakses pada saat itu dan analisis produk sampingan dari tumbukan menawarkan cara untuk memahami hukum fisika yang mengatur.
Barangkali, contoh paling terkenal dari collider adalah Large Hadron Collider (LHC) milik CERN, yaitu collider berukuran besar tempat hadron (partikel komposit yang hanya terdiri dari kuark seperti proton dan neutron) bertabrakan. Ini adalah collider terbesar dan terkuat di dunia yang menghasilkan tabrakan pada energi 13 TeV (teraelektronvolt) yang merupakan energi tertinggi yang dicapai oleh akselerator. Studi tentang produk sampingan dari tabrakan sejauh ini sangat memperkaya. Penemuan boson Higgs pada tahun 2012 oleh eksperimen ATLAS dan CMS di Large Hadron Collider (LHC) merupakan tonggak sejarah dalam sains.
Skala studi interaksi partikel ditentukan oleh energi akselerator. Untuk eksplorasi pada skala yang semakin kecil, diperlukan akselerator dengan energi yang semakin tinggi. Jadi, selalu ada pencarian akselerator berenergi lebih tinggi daripada yang tersedia saat ini untuk eksplorasi penuh model standar fisika partikel dan penyelidikan pada skala yang lebih kecil. Oleh karena itu, beberapa akselerator berenergi lebih tinggi baru saat ini sedang dalam tahap pengembangan.
Large Hadron Collider (HL – LHC) berluminositas tinggi milik CERN, yang kemungkinan akan beroperasi pada tahun 2029, dirancang untuk menambah kinerja LHC dengan meningkatkan jumlah tumbukan sehingga memungkinkan studi mekanisme yang diketahui secara lebih rinci. Di sisi lain, Future Circular Collider (FCC) adalah proyek penumbuk partikel berkinerja tinggi milik CERN yang sangat ambisius yang akan berada sekitar 100 km dalam keliling 200 meter di bawah tanah dan akan mengikuti Large Hadron Collider (LHC). Pembangunannya kemungkinan akan dimulai pada tahun 2030-an dan akan dilaksanakan dalam dua tahap: FCC-ee (pengukuran presisi) akan beroperasi pada pertengahan tahun 2040-an sementara FCC-hh (energi tinggi) mulai beroperasi pada tahun 2070-an. FCC harus mengeksplorasi keberadaan partikel baru yang lebih berat, di luar jangkauan LHC dan keberadaan partikel yang lebih ringan yang berinteraksi sangat lemah dengan partikel Model Standar.
Dengan demikian, satu kelompok partikel yang bertabrakan dalam collider adalah hadron seperti proton dan nuklei yang merupakan partikel komposit yang terbuat dari kuark. Ini berat dan memungkinkan peneliti mencapai energi tinggi seperti dalam kasus LHC. Kelompok lainnya adalah lepton seperti elektron dan positron. Partikel-partikel ini juga dapat bertabrakan seperti dalam kasus Large Electron-Positron Collider (LEPC) dan SuperKEKB collider. Salah satu masalah utama dengan lepton collider berbasis elektron-positron adalah kehilangan energi yang besar karena radiasi sinkrotron ketika partikel dipaksa dalam orbit melingkar yang dapat diatasi dengan menggunakan muon. Seperti elektron, muon adalah partikel elementer tetapi 200 kali lebih berat daripada elektron sehingga kehilangan energi yang jauh lebih sedikit karena radiasi sinkrotron.
Tidak seperti hadron collider, muon collider dapat beroperasi dengan menggunakan energi yang lebih sedikit sehingga membuat muon collider 10 TeV setara dengan hadron collider 100 TeV. Oleh karena itu, muon collider mungkin menjadi lebih relevan pasca-High Luminosity Large Hadron Collider (HL – LHC) untuk eksperimen fisika energi tinggi vis-a-vis FCC-ee, atau KLIK (Collider Linier Kompak) atau ILC (International Linear Collider). Mengingat jangka waktu yang panjang untuk collider masa depan berenergi tinggi, collider muon dapat menjadi satu-satunya alat penelitian potensial dalam fisika partikel selama tiga dekade mendatang. Muon dapat berguna untuk pengukuran momen magnetik anomali (g-2) dan momen dipol listrik (EDM) yang sangat presisi untuk eksplorasi di luar model standar. Teknologi muon juga memiliki aplikasi di beberapa bidang penelitian interdisipliner.
Akan tetapi, terdapat tantangan teknis dalam mewujudkan penumbuk muon. Tidak seperti hadron dan elektron yang tidak meluruh, muon memiliki masa hidup yang pendek, hanya 2.2 mikrodetik sebelum meluruh menjadi elektron dan neutrino. Namun, masa hidup muon meningkat seiring dengan energi yang menyiratkan bahwa peluruhannya dapat ditunda jika dipercepat dengan cepat. Namun, mempercepat muon secara teknis sulit karena keduanya tidak memiliki arah atau kecepatan yang sama.
Baru-baru ini, para peneliti di Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) telah berhasil mengatasi tantangan teknologi muon. Mereka berhasil mempercepat muon positif hingga sekitar 4% dari kecepatan cahaya untuk pertama kalinya di dunia. Ini adalah demonstrasi pertama pendinginan dan percepatan muon positif setelah bertahun-tahun pengembangan teknologi pendinginan dan percepatan yang berkelanjutan.
Akselerator proton di J-PARC menghasilkan sekitar 100 juta muon per detik. Hal ini dilakukan dengan mempercepat proton hingga mendekati kecepatan cahaya dan membiarkannya mengenai grafit untuk membentuk pion. Muon terbentuk sebagai produk peluruhan pion.
Tim peneliti menghasilkan muon positif yang memiliki kecepatan sekitar 30% kecepatan cahaya dan menembakkannya ke aerogel silika. Muon yang diizinkan untuk bergabung dengan elektron dalam aerogel silika menghasilkan pembentukan muonium (partikel netral seperti atom atau atom semu yang terdiri dari muon positif di bagian tengah dan elektron di sekitar muon positif). Selanjutnya, elektron dilepaskan dari muonium melalui penyinaran laser yang membuat muon positif mendingin hingga sekitar 0.002% dari kecepatan cahaya. Setelah itu, muon positif yang didinginkan dipercepat menggunakan medan listrik frekuensi radio. Muon positif yang dipercepat yang dibuat dengan demikian bersifat terarah karena mereka mulai dari mendekati nol menjadi sinar muon yang sangat terarah yang secara bertahap dipercepat mencapai sekitar 4% dari kecepatan cahaya. Ini adalah tonggak sejarah dalam teknologi percepatan muon.
Tim peneliti berencana untuk mempercepat muon positif hingga 94% dari kecepatan cahaya.
***
Referensi:
- Universitas Oregon. Alam Semesta Awal – Menuju Awal Zaman. Tersedia di https://pages.uoregon.edu/jimbrau/astr123/Notes/Chapter27.html
- CERN. Mempercepat sains – Muon collider. Tersedia di https://home.cern/science/accelerators/muon-collider
- J-PARC. Siaran pers – Pendinginan dan percepatan muon pertama di dunia. Diposting pada 23 Mei 2024. Tersedia di https://j-parc.jp/c/en/press-release/2024/05/23001341.html
- Aritome S., dkk., 2024. Akselerasi muon positif oleh rongga frekuensi radio. Pracetak di arXiv. Diserahkan pada 15 Oktober 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arxiv.2410.11367
***
Terkait artikel
Partikel Fundamental Sekilas. Keterikatan Kuantum antara “Quark Top” pada Energi Tertinggi yang Diamati (22 September 2024).
***
