Bagaimana pengaruh ‘kekuatan kuat’

Kredit: Domain Publik Unsplash/CC0

Secara gravitasi, ruang angkasa adalah tempat yang bising. Sekelompok gelombang gravitasi dari sumber yang tidak diketahui, mungkin dari alam semesta awal, mengalir secara tak terduga melalui ruang angkasa.

Para ilmuwan telah mencari tanda-tanda gelombang gravitasi kosmologis awal ini, dan tim fisikawan kini telah menunjukkan bahwa gelombang tersebut seharusnya memiliki ciri khas karena perilaku quark dan gluon saat alam semesta mendingin. Temuan seperti itu akan mempunyai pengaruh yang menentukan model mana yang paling tepat menggambarkan alam semesta segera setelah big bang. Studi ini dipublikasikan di jurnal Physical Review Letters.

Para ilmuwan pertama kali menemukan bukti langsung adanya gelombang gravitasi pada tahun 2015 di LIGO Gravitational Wave Interferometers di AS. Ini adalah gelombang tunggal (walaupun amplitudonya kecil) yang berasal dari sumber tertentu, seperti penggabungan dua lubang hitam yang melewati Bumi. Gelombang seperti itu menyebabkan lengan interferometer yang tegak lurus sepanjang 4 km berubah panjang dengan jumlah yang kecil (tetapi berbeda), perbedaan yang terdeteksi oleh perubahan pola interferensi yang dihasilkan saat sinar laser bergerak maju mundur di lengan detektor.

Namun ada juga gelombang gravitasi yang lebih kecil, begitu banyak sehingga terlihat seperti kebisingan. Para ilmuwan telah dengan rajin mencari latar belakang gelombang gravitasi stokastik (stokastik berarti ditentukan secara acak, yaitu tidak dapat diprediksi) di tengah kebisingan ini. Namun, gelombang gravitasi yang lebih kecil ini lebih sulit dideteksi, dan para ilmuwan beralih ke bidang pulsar milidetik, yang mana jarak dari Bumi ke pulsar jauh adalah panjang efektif lengan interferometer.

Pulsar—bintang neutron yang berputar—mengeluarkan pancaran radiasi, beberapa arah di mana pancaran sinar tersebut melewati Bumi, seperti pancaran sinar dari mercusuar yang berputar. Pulsar memiliki periode rotasi yang sangat stabil, dan setiap pengukuran waktu jam ini akan sedikit diubah oleh banyaknya gelombang gravitasi kecil yang memiliki panjang gelombang beberapa tahun cahaya.

Tahun lalu, kolaborasi NANOgrav menerbitkan bukti bahwa gelombang gravitasi stokastik berfrekuensi rendah ini ada di latar belakang ruangwaktu, sama seperti kelompok lainnya. Tapi apa sumbernya? Apakah latar belakangnya berasal dari fenomena astrofisika seperti penggabungan ratusan ribu lubang hitam supermasif, supernova, dan sejenisnya?

Mungkin latar belakangnya berasal dari alam semesta awal dan gelombangnya telah menyebar sejak saat itu, seperti latar belakang gelombang mikro kosmik yang memenuhi seluruh ruang akibat pemisahan foton dari elektron 380.000 tahun setelah big bang. Atau sesuatu yang lain?

Membedakan skenario menghadapi tantangan. Pemahaman saat ini mengenai fisika lubang hitam supermasif belum cukup berkembang untuk menarik kesimpulan yang pasti. Dan spektrum kontinu gelombang gravitasi latar belakang bergantung pada detail mikroskopis sumbernya dan memerlukan simulasi numerik yang mendetail.

Karya baru ini memberikan cara untuk membedakan gelombang dari alam semesta awal dengan gelombang dari sumber lain. Fisika Model Standar—teori sukses mengenai interaksi kuat, lemah, dan elektromagnetik—harus meninggalkan jejak yang jelas pada latar belakang terukur yang tidak bergantung pada model tepat alam semesta awal yang dipilih.

Ketika alam semesta mendingin sejak awal terjadinya Big Bang, alam semesta melewati fase-fase yang berbeda. Salah satu yang disebutkan di atas adalah pemisahan foton setelah 380.000 tahun, ketika alam semesta cukup dingin sehingga elektron dapat berikatan dengan proton untuk membentuk atom hidrogen, sehingga foton tersebut tiba-tiba terbang menjauh.

Namun, ada transisi atau transisi sebelumnya di mana quark dan gluon bebas yang membentuk plasma quark-gluon bergabung menjadi partikel tunggal dari dua atau lebih quark yang saling menempel karena kuatnya gaya penangkapan gluon.

“Persilangan kromodinamik kuantum (QCD)” ini diperkirakan terjadi ketika alam semesta berada pada suhu sekitar satu triliun Kelvin, sekitar 10-5 detik setelah big bang. Ini setara dengan energi sekitar 100 MeV. (QCD adalah teori gaya kuat.)

Ternyata, frekuensi nanohertz yang diperiksa oleh medan waktu pulsar memiliki urutan yang sama dengan gelombang gravitasi latar stokastik frekuensi rendah yang dapat diamati. Persimpangan ini tidak menciptakan gelombang, namun penurunan jumlah partikel bebas secara tiba-tiba mengubah persamaan yang mengatur keadaan alam semesta. Sumber gelombang gravitasi sebelum transisi QCD menghasilkan sinyal frekuensi rendah yang dipengaruhi oleh perubahan persamaan keadaan ini. Para peneliti mengatakan sinyal tersebut sekarang dapat dicari dalam data lapangan waktu pulsar.

“Kami berpikir bahwa karakterisasi yang akurat dari latar belakang gelombang gravitasi untuk asal usul yang berbeda merupakan langkah penting dalam memajukan penyelidikan ini,” kata Davide Racco, salah satu penulis makalah dari Institut Fisika Teoritis Universitas Stanford.

“Kami menyoroti fitur umum dan tidak dapat dihindari untuk berbagai fenomena primordial yang telah terbukti menjadi fitur berguna untuk membedakan sumber latar belakang yang berbeda.”

Hasil seperti ini akan menjadi dampak mengejutkan dari seluk-beluk fisika kuantum pada alam semesta yang kita lihat saat ini, dan sekali lagi menunjukkan bagaimana fisika partikel dan kosmologi bertemu di tempat yang sama.

Informasi lebih lanjut:
Gabriele Franciolini dkk, Jejak Crossover QCD pada Gelombang Gravitasi Kosmologis di Pulsar Timing Arrays, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.081001

Kutipan: Bagaimana ‘gaya kuat’ mempengaruhi latar belakang gelombang gravitasi (2024, 29 Februari) Diperoleh pada 29 Februari 2024 dari https://phys.org/news/2024-02-strong-gravitational-background.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Kecuali untuk tindakan bonafid apa pun untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.