Fisika Fundamental Baru? Fenomena yang tidak dapat dijelaskan dalam Eksperimen Large Hadron Collider

Hasil percobaan LHCb CERN telah memberikan indikasi lebih lanjut tentang fenomena yang tidak dapat dijelaskan dengan teori fisika dasar kita saat ini.

Pada bulan Maret 2020, eksperimen yang sama menerbitkan bukti bahwa partikel melanggar salah satu prinsip inti Model Standar – teori partikel dan gaya terbaik kami – yang menunjukkan kemungkinan adanya partikel dan gaya fundamental baru.

Sekarang, pengukuran lebih lanjut oleh fisikawan di Laboratorium Cavendish di Cambridge telah menemukan efek serupa, yang memperkuat kasus untuk fisika baru.

Model Standar menggambarkan semua partikel yang diketahui yang membentuk alam semesta dan gaya yang melaluinya mereka berinteraksi. Ini telah melewati semua tes eksperimental sejauh ini, namun fisikawan tahu itu pasti tidak lengkap. Itu tidak termasuk gravitasi, juga tidak dapat menjelaskan bagaimana materi terjadi selama Dentuman Besar, dan tidak mengandung partikel yang dapat menjelaskan materi gelap misterius yang menurut astronomi lima kali lebih berlimpah daripada materi yang membentuk dunia yang terlihat di sekitar kita.

Akibatnya, fisikawan telah lama mencari bukti fisika di luar Model Standar yang dapat membantu kita memecahkan beberapa misteri ini.

Salah satu cara terbaik untuk mencari partikel dan gaya baru adalah dengan mempelajari partikel yang dikenal sebagai quark kecantikan. Ini adalah sepupu eksotis dari quark atas dan bawah yang membentuk inti dari semua orang atom.

Kuark kecantikan tidak berlimpah di seluruh dunia karena mereka sangat berumur pendek – rata-rata, mereka hanya bertahan sepertriliun detik sebelum berubah menjadi partikel lain atau hancur. Namun, akselerator partikel raksasa CERN, Large Hadron Collider, menghasilkan miliaran quark kecantikan setiap tahun, yang direkam oleh detektor yang dirancang khusus yang disebut LHCb.

Gua percobaan LHCb di LHC-IP 8. Sumber: CERN

Peluruhan quark kecantikan dapat dipengaruhi oleh keberadaan gaya atau partikel yang belum ditemukan. Pada bulan Maret, tim fisikawan di LHCb menerbitkan hasil yang menunjukkan bahwa quark kecantikan terurai menjadi partikel yang disebut muon lebih jarang daripada sepupunya yang lebih ringan, elektron. Hal ini tidak dapat dijelaskan dalam Model Standar, yang memperlakukan elektron dan muon secara setara, terlepas dari fakta bahwa elektron sekitar 200 kali lebih ringan daripada muon. Akibatnya, quark kecantikan harus meluruh menjadi muon dan elektron dengan kecepatan yang sama. Sebaliknya, fisikawan di LHCb menemukan bahwa peluruhan muon hanya terjadi sekitar 85% sesering peluruhan elektron.

Perbedaan antara hasil LHCb dan Model Standar adalah sekitar tiga unit kesalahan eksperimental, atau ‘3 sigma’ seperti yang dikenal dalam fisika partikel. Ini berarti bahwa kemungkinan hasil yang disebabkan oleh peluang statistik hanya sekitar satu dalam seribu.

Dengan asumsi hasilnya benar, penjelasan yang paling mungkin adalah bahwa gaya baru yang menarik elektron dan muon dengan kekuatan berbeda mengganggu peluruhan quark kecantikan ini. Namun, untuk memastikan bahwa efeknya nyata, diperlukan lebih banyak data untuk mengurangi kesalahan eksperimental. Hanya ketika suatu hasil mencapai ambang batas “5 sigma”, ketika probabilitas bahwa hal itu terjadi karena kebetulan kurang dari satu dalam sejuta, fisikawan partikel akan menganggapnya sebagai penemuan nyata.

“Fakta bahwa kami melihat efek yang sama seperti rekan-rekan kami pada bulan Maret tentu meningkatkan kemungkinan bahwa kami benar-benar di ambang menemukan sesuatu yang baru,” kata Dr. Harry Cliff dari Laboratorium Cavendish. “Ini bagus untuk menjelaskan sedikit lebih banyak tentang teka-teki.”

hari ini Hasil memeriksa dua peluruhan quark kecantikan baru dari keluarga peluruhan yang sama seperti pada hasil bulan Maret. Tim menemukan efek yang sama – peluruhan muon hanya sekitar 70% lebih sering daripada peluruhan elektron. Kali ini kesalahannya lebih besar, yang berarti bahwa deviasinya sekitar ‘2 sigma’, yang berarti bahwa probabilitas bahwa hal ini disebabkan oleh kekhasan statistik data memiliki probabilitas sedikit lebih dari 2%. Sementara hasilnya saja tidak meyakinkan, itu mendukung semakin banyak bukti bahwa ada kekuatan fundamental baru yang menunggu untuk ditemukan.

“Kegembiraan di Large Hadron Collider tumbuh tepat ketika detektor LHCb yang ditingkatkan dihidupkan dan lebih banyak data dikumpulkan yang akan memberikan statistik yang diperlukan untuk mengklaim atau menyangkal penemuan hebat,” kata Profesor Val Gibson, juga dari laboratorium Cavendish.