Dimensi baru dalam pencarian pemahaman tentang materi gelap

Program penelitian materi gelap UC Riverside bertujuan untuk membuat asumsi tentang fisika partikel.

Seperti namanya, materi gelap – materi yang membentuk sekitar 85% massa alam semesta – tidak memancarkan cahaya, yang sulit dideteksi dengan mudah. Sifatnya juga tetap dalam kegelapan.

Sekarang seorang fisikawan partikel teoretis dari University of California, Riverside, dan rekan-rekannya memiliki proyek penelitian di Jurnal Fisika Energi Tinggi ini menunjukkan bagaimana teori-teori yang mendalilkan keberadaan jenis gaya baru dapat membantu menjelaskan sifat-sifat materi gelap.

“Kita hidup di lautan materi gelap, tetapi kita hanya tahu sedikit tentang apa itu,” kata Flip Tanedo, asisten profesor fisika dan astronomi dan penulis utama studi tersebut. “Ini adalah salah satu hal yang tidak diketahui yang paling menjengkelkan di alam. Kami tahu itu ada, tetapi kami tidak tahu bagaimana mencarinya atau mengapa itu tidak muncul di tempat yang kami harapkan.”

Fisikawan telah menggunakan teleskop, eksperimen bawah tanah raksasa, dan penumbuk selama 30 tahun terakhir untuk mempelajari lebih lanjut tentang materi gelap, meskipun kurangnya bukti positif. Namun, bukti negatif telah memaksa fisikawan teoretis seperti Tanedo untuk berpikir lebih kreatif tentang apa itu materi gelap.

Flip Tanedo adalah Asisten Profesor Fisika dan Astronomi di UC Riverside. Kredit foto: Thomas Wasper

Penelitian baru, yang menunjukkan adanya dimensi tambahan dalam ruang-waktu untuk pencarian materi gelap, adalah bagian dari program penelitian yang sedang berlangsung di UC Riverside yang dipimpin oleh Tanedo. Menurut teori ini, beberapa partikel dalam materi gelap tidak berperilaku seperti partikel. Faktanya, partikel yang tidak terlihat berinteraksi dengan partikel yang lebih tidak terlihat sehingga partikel yang terakhir tidak lagi berperilaku seperti partikel.

“Tujuan dari program penelitian saya selama dua tahun terakhir adalah untuk memperluas gagasan ‘berbicara’ materi gelap dengan kekuatan gelap,” kata Tanedo. “Dalam sepuluh tahun terakhir, fisikawan telah mengakui bahwa selain materi gelap, kekuatan gelap tersembunyi dapat menentukan interaksi materi gelap. Ini benar-benar dapat menulis ulang aturan untuk mencari materi gelap.”

Ketika dua partikel materi gelap tertarik atau ditolak satu sama lain, kekuatan gelap sedang bekerja. Tanedo menjelaskan bahwa kekuatan gelap secara matematis dijelaskan oleh teori dengan dimensi tambahan dan muncul sebagai rangkaian partikel yang dapat memecahkan teka-teki yang terlihat di galaksi kecil.

“Program penelitian kami yang sedang berlangsung di UCR adalah generalisasi lain dari proposal Dark Force,” katanya. “Alam semesta yang kita amati memiliki tiga dimensi spasial. Kami menyarankan bahwa mungkin ada dimensi keempat yang hanya diketahui oleh kekuatan gelap. Dimensi tambahan dapat menjelaskan mengapa materi gelap bersembunyi dengan sangat baik dari upaya kami untuk mempelajarinya di laboratorium.”

Foto menunjukkan Flip Tanedo (kiri), Sylvain Fichet (tengah) dan Hai-Bo Yu. Kredit foto: Flip Tanedo, UC Riverside

Tanedo menjelaskan bahwa sementara dimensi tambahan mungkin terdengar seperti ide yang eksotis, mereka sebenarnya adalah trik matematika yang digunakan untuk menggambarkan “teori medan konformal” – teori tiga dimensi biasa yang sangat mekanika kuantum. Jenis teori ini kaya secara matematis tetapi tidak mengandung partikel konvensional sehingga biasanya tidak dianggap relevan untuk menggambarkan alam. Kesetaraan matematis antara teori tiga dimensi yang canggih ini dan teori ekstra-dimensi yang lebih mudah dikelola dikenal sebagai prinsip holografik.

“Karena teori medan konformal ini gigih dan tidak biasa, mereka tidak benar-benar diterapkan secara sistematis pada materi gelap,” tambah Tanedo. “Alih-alih menggunakan bahasa ini, kami bekerja dengan teori ekstradimensi holografik.”

Fitur utama dari teori ekstradimensi adalah bahwa gaya antara partikel materi gelap dijelaskan oleh jumlah tak terbatas dari partikel yang berbeda dengan massa yang berbeda yang disebut kontinum. Sebaliknya, gaya biasa digambarkan oleh satu jenis partikel dengan massa padat. Kelas sektor gelap kontinum ini menarik bagi Tanedo karena membuat sesuatu yang “segar dan berbeda”.

Menurut Tanedo, pekerjaan sebelumnya di sektor gelap terutama berfokus pada teori yang meniru perilaku partikel yang terlihat. Program penelitiannya meneliti jenis teori yang lebih ekstrem yang menurut sebagian besar fisikawan partikel kurang menarik, mungkin karena tidak ada analog di dunia nyata.

Dalam teori Tanedo, gaya antara partikel materi gelap secara mengejutkan berbeda dari gaya materi biasa.

“Dengan gaya gravitasi atau gaya listrik yang saya ajarkan di kursus pengantar fisika saya, jika Anda menggandakan jarak antara dua partikel, gaya berkurang empat kali lipat. Sebuah gaya kontinum, di sisi lain, dikurangi dengan faktor delapan.”

Apa efek dari kekuatan gelap ekstra-dimensi ini? Karena materi biasa tidak dapat berinteraksi dengan kekuatan gelap ini, Tanedo beralih ke gagasan tentang materi gelap yang berinteraksi sendiri, sebuah ide yang dikemukakan oleh Hai-Bo Yu, seorang profesor fisika dan astronomi di UCR yang bukan rekan penulis. artikel, dikembangkan. Yu menunjukkan bahwa bahkan tanpa interaksi dengan materi normal, efek dari kekuatan gelap ini dapat diamati secara tidak langsung di galaksi kerdil berbentuk bola. Tim Tanedo menemukan bahwa gaya kontinum dapat mereproduksi gerakan bintang yang diamati.

“Model kami melangkah lebih jauh dan membuatnya lebih mudah daripada model materi gelap interaktif mandiri untuk menjelaskan asal usul materi gelap kosmik,” kata Tanedo.

Selanjutnya, tim Tanedo akan menyelidiki versi kontinum dari model “foton gelap”.

“Ini gambaran yang lebih realistis untuk kekuatan gelap,” kata Tanedo. “Foton gelap telah dipelajari dengan sangat rinci, tetapi kerangka ekstra-dimensi kami memiliki beberapa kejutan. Kami juga akan membahas kosmologi kekuatan gelap dan fisika lubang hitam.”

Tanedo telah bekerja dengan rajin untuk mengidentifikasi “titik buta” dalam pencarian materi gelap timnya.

“Program penelitian saya bertujuan pada salah satu asumsi yang kami buat tentang fisika partikel: bahwa interaksi partikel dijelaskan dengan baik oleh pertukaran lebih banyak partikel,” katanya. “Meskipun ini berlaku untuk materi biasa, tidak ada alasan untuk menganggapnya sebagai materi gelap. Interaksi mereka dapat digambarkan dengan kontinum partikel yang dipertukarkan, bukan hanya bertukar satu jenis partikel gaya.”

Referensi: “Materi gelap yang berinteraksi sendiri yang dimediasi oleh kontinum” oleh Ian Chaffey, Sylvain Fichet, dan Philip Tanedo, 1 Juni 2021, Jurnal Fisika Energi Tinggi.
DOI: 10.1007 / JHEP06 (2021) 008

Tanedo diteliti oleh Ian Chaffey, seorang rekan pascadoktoral yang bekerja dengan Tanedo; dan Sylvain Fichet, rekan postdoctoral di Pusat Internasional untuk Fisika Teoretis – Institut Amerika Selatan untuk Penelitian Fundamental di Brasil.

Penelitian ini didanai oleh Departemen Energi AS.