HYPER (Relik Partikel Sangat Interaktif) – Model baru untuk materi gelap

Transisi fase di alam semesta awal mengubah kekuatan interaksi antara materi gelap dan normal.

Materi gelap tetap menjadi salah satu misteri terbesar fisika modern. Jelas itu pasti ada, karena pergerakan galaksi, misalnya, tidak bisa dijelaskan tanpa materi gelap. Tetapi tidak pernah mungkin untuk mendeteksi materi gelap dalam percobaan.

Saat ini ada banyak proposal untuk eksperimen baru: Mereka bertujuan untuk mendeteksi materi gelap secara langsung melalui hamburannya pada komponen inti atom media pendeteksi, yaitu proton dan neutron.

Sebuah tim peneliti – Robert McGehee dan Aaron Pierce dari Universitas Michigan dan Gilly Elor dari Universitas Johannes Gutenberg Mainz di Jerman – kini telah mengusulkan kandidat materi gelap baru: HYPER, atau “Relik Partikel Sangat Interaktif”.

Dalam model HYPER, beberapa saat setelah pembentukan materi gelap di awal alam semesta, kekuatan interaksinya dengan materi normal meningkat secara tiba-tiba – yang di satu sisi membuatnya berpotensi dapat dideteksi saat ini dan pada saat yang sama dapat menjelaskan kelimpahan materi gelap .

Gambar dari Teleskop Luar Angkasa Hubble NASA ini menunjukkan distribusi materi gelap di pusat gugus galaksi raksasa Abell 1689, yang berisi sekitar 1.000 galaksi dan triliunan bintang.
Materi gelap adalah bentuk materi tak terlihat yang membentuk sebagian besar sebagian besar alam semesta. Hubble tidak dapat melihat materi gelap secara langsung. Para astronom menyimpulkan lokasinya dengan menganalisis efek pelensaan gravitasi, di mana cahaya dari galaksi di luar Abell 1689 terdistorsi oleh materi yang mengintervensi di dalam gugus.
Para peneliti menggunakan posisi yang diamati dari 135 gambar lensa dari 42 galaksi latar belakang untuk menghitung lokasi dan jumlah materi gelap di gugus tersebut. Mereka melapisi peta berwarna biru dari kesimpulan konsentrasi materi gelap ini pada gambar gugus yang diambil oleh Advanced Camera for Surveys Hubble. Jika gravitasi gugus hanya berasal dari galaksi yang terlihat, distorsi lensa akan jauh lebih lemah. Peta tersebut menunjukkan bahwa konsentrasi materi gelap terpadat berada di inti gugus.
Abell 1689 berjarak 2,2 miliar tahun cahaya dari Bumi. Gambar diambil pada Juni 2002.
Kredit: NASA, ESA, D. Coe (NASA Jet Propulsion Laboratory/California Institute of Technology, and Space Telescope Science Institute), N. Benitez (Institut Astrofisika Andalusia, Spanyol), T. Broadhurst (Universitas Negara Basque, Spanyol) dan H. Ford (Universitas Johns Hopkins)

Keragaman baru di bidang materi gelap

Karena pencarian partikel materi gelap yang berat, yang disebut WIMPS, belum berhasil, komunitas riset mencari partikel materi gelap alternatif, terutama yang lebih ringan. Pada saat yang sama, transisi fase umumnya diharapkan di sektor gelap – lagipula, ada beberapa di sektor yang terlihat, kata para peneliti. Tetapi penelitian sebelumnya cenderung mengabaikannya.

“Belum ada model materi gelap yang konsisten untuk rentang massa yang diharapkan oleh beberapa eksperimen terencana. “Namun, model HYPER kami menunjukkan bahwa transisi fase sebenarnya dapat membantu membuat materi gelap lebih dapat dideteksi,” kata Elor, seorang postdoc dalam fisika teoretis di JGU.

Tantangan untuk model yang cocok: jika materi gelap berinteraksi terlalu kuat dengan materi normal, jumlahnya (yang diketahui dengan tepat) yang terbentuk di Alam Semesta awal akan terlalu kecil, bertentangan dengan pengamatan astrofisika. Namun, jika diproduksi dalam jumlah yang tepat, interaksinya akan terlalu lemah untuk mendeteksi materi gelap dalam eksperimen hari ini.

“Ide utama kami, yang mendasari model HYPER, adalah bahwa interaksi berubah secara tiba-tiba – sehingga kami dapat memiliki yang terbaik dari kedua dunia: jumlah materi gelap yang tepat dan interaksi yang besar sehingga kami dapat mendeteksinya,” kata McGehee.

Dan beginilah para peneliti membayangkannya: Dalam fisika partikel, interaksi biasanya dimediasi oleh partikel tertentu, yang disebut mediator – seperti interaksi materi gelap dengan materi normal. Pembentukan materi gelap dan pendeteksiannya bekerja melalui mediator ini, dengan kekuatan interaksi bergantung pada massanya: semakin besar massanya, semakin lemah interaksinya.

Mediator pertama-tama harus cukup berat untuk membentuk jumlah materi gelap yang tepat, dan kemudian cukup ringan agar materi gelap dapat dideteksi sama sekali. Solusinya: Setelah pembentukan materi gelap, terjadi transisi fase di mana massa mediator tiba-tiba berkurang.

“Di satu sisi, ini menjaga jumlah materi gelap tetap konstan dan, di sisi lain, interaksi diperkuat atau diperkuat sedemikian rupa sehingga materi gelap dapat dideteksi secara langsung,” kata Pierce.

Model baru mencakup hampir seluruh rentang parameter percobaan yang direncanakan

“Model materi gelap HYPER mampu mencakup hampir seluruh rentang yang dapat diakses oleh eksperimen baru,” kata Elor.

Secara khusus, tim peneliti pertama-tama menganggap penampang maksimum dari interaksi yang dimediasi mediator dengan proton dan neutron dari inti atom agar konsisten dengan pengamatan astrologi dan peluruhan partikel-fisik tertentu. Langkah selanjutnya adalah mempertimbangkan apakah ada model materi gelap yang menunjukkan interaksi ini.

“Dan di situlah kami mendapatkan ide transisi fase,” kata McGehee. “Kami kemudian menghitung jumlah materi gelap yang ada di alam semesta dan kemudian mensimulasikan transisi fase menggunakan perhitungan kami.”

Ada banyak kendala yang perlu dipertimbangkan, seperti jumlah materi gelap yang konstan.

“Di sini kita harus mempertimbangkan secara sistematis dan memasukkan banyak skenario, misalnya pertanyaan apakah benar-benar yakin mediator kita tidak akan tiba-tiba mengarah pada pembentukan materi gelap baru, yang tentu saja tidak boleh demikian,” kata Elor. “Namun pada akhirnya kami yakin bahwa model HYPER kami berhasil.”

Penelitian ini diterbitkan dalam jurnal Surat Verifikasi Fisik.

Referensi: “Memaksimalkan Deteksi Langsung dengan Materi Gelap Relik Partikel Sangat Interaktif” oleh Gilly Elor, Robert McGehee, dan Aaron Pierce, 20 Januari 2023 Surat Verifikasi Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.031803