Fisikawan nuklir telah menemukan pengaruh gravitasi yang sangat besar pada skala kuantum, dan untuk pertama kalinya mengungkap distribusi gaya kuat pada proton. Menggabungkan wawasan teoritis sejarah dengan data eksperimental modern, penelitian inovatif ini menawarkan pemahaman yang belum pernah terjadi sebelumnya mengenai dinamika internal proton dan membuka jalan bagi penemuan masa depan dalam ilmu nuklir.
Fisikawan nuklir di Laboratorium Jefferson telah memetakan distribusi gaya kuat pada proton menggunakan kerangka yang terhubung dengan gravitasi, sehingga membuka jalan baru untuk eksplorasi.
Pengaruh gravitasi jelas terlihat jelas di seluruh alam semesta yang teramati. Dampaknya terlihat pada sinkronisasi orbit bulan mengelilingi planet, pada komet yang menyimpang dari orbitnya karena tarikan gravitasi bintang-bintang besar, dan pada spiral galaksi raksasa yang megah. Fenomena spektakuler ini menyoroti peran gravitasi pada skala materi yang paling besar. Sementara itu, fisikawan nuklir mengungkap kontribusi signifikan gravitasi pada skala materi terkecil.
Penelitian baru yang dilakukan oleh fisikawan nuklir di Fasilitas Akselerator Nasional Thomas Jefferson Departemen Energi AS menggunakan metode yang menggabungkan teori gravitasi dengan interaksi antara partikel terkecil suatu materi untuk mengungkap detail baru pada skala yang lebih kecil ini. Penelitian tersebut kini untuk pertama kalinya mengungkap gambaran distribusi gaya kuat di dalam proton. Gambar ini merinci tegangan geser yang dapat diberikan suatu gaya pada partikel quark yang membentuk proton. Hasilnya baru-baru ini dipublikasikan di Tinjauan Fisika Modern.
Wawasan tentang struktur proton
Menurut penulis utama studi tersebut, Ketua Tim Sains Jefferson Lab Volker Burkert, pengukuran tersebut mengungkapkan wawasan tentang lingkungan yang dialami oleh bahan penyusun proton. Proton terdiri dari tiga quark yang diikat oleh gaya kuat.
“Pada puncaknya, gaya tersebut lebih dari empat ton yang harus diterapkan pada quark untuk menariknya keluar dari proton,” jelas Burkert. “Tentu saja, alam tidak mengizinkan kita memisahkan hanya satu quark dari proton karena sifat quark yang disebut ‘warna’.” Ada tiga warna yang mencampurkan quark pada proton sehingga tampak tidak berwarna dari luar, yang merupakan syarat keberadaannya di alam semesta. Mencoba mengeluarkan quark berwarna dari proton akan menghasilkan pasangan quark/antiquark yang tidak berwarna, yaitu meson, menggunakan energi yang Anda keluarkan untuk mencoba memisahkan quark tersebut, meninggalkan proton (atau neutron) yang tidak berwarna. Jadi 4 ton adalah gambaran kekuatan gaya yang melekat pada proton.”
Hasilnya hanyalah sifat mekanik proton kedua yang diukur. Sifat mekanik proton meliputi tekanan internalnya (diukur pada tahun 2018), distribusi massanya (ukuran fisik), momentum sudutnya, dan tegangan gesernya (ditunjukkan di sini). Hasilnya dimungkinkan oleh prediksi berusia setengah abad dan data berusia dua dekade.
Pada pertengahan tahun 1960-an, muncul teori bahwa jika fisikawan nuklir dapat melihat bagaimana gravitasi berinteraksi dengan partikel subatom seperti proton, eksperimen semacam itu dapat mengungkap secara langsung sifat mekanik proton.
“Tetapi hal itu tidak mungkin dilakukan pada saat itu. Jika Anda membandingkan gravitasi dengan gaya elektromagnetik, misalnya, terdapat perbedaan sebesar 39 kali lipat – jadi tidak ada harapan lagi, bukan? jelas Latifa Elouadhriri, ilmuwan Jefferson Lab dan salah satu penulis penelitian tersebut.
Landasan teoretis dan terobosan eksperimental
Data berusia puluhan tahun ini berasal dari eksperimen yang dilakukan dengan Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) milik Jefferson Lab, sebuah fasilitas pengguna dari DOE Office of Science. Eksperimen CEBAF yang khas akan melibatkan interaksi elektron energik dengan partikel lain melalui pertukaran paket energi dan satuan momentum sudut yang disebut foton virtual dengan partikel tersebut. Energi elektron menentukan partikel mana yang berinteraksi dengannya dan bagaimana mereka bereaksi.
Dalam percobaan tersebut, gaya yang diterapkan pada proton bahkan jauh lebih besar daripada empat ton yang diperlukan untuk mengekstraksi pasangan quark/antiquark melalui sinar elektron berenergi tinggi yang berinteraksi dengan proton dalam target gas hidrogen cair.
“Kami telah mengembangkan program untuk mempelajari hamburan Compton virtual yang mendalam. Di sini Anda memiliki elektron yang menukar foton virtual dengan proton. Dan pada keadaan akhir, protonnya tetap sama, namun ia memantul dan Anda memiliki satu foton berenergi sangat tinggi ditambah elektron yang tersebar,” kata Elouadhriri. “Pada saat kami mengambil data, kami tidak menyadari bahwa selain pencitraan 3 dimensi yang kami maksudkan dengan data tersebut, kami juga mengumpulkan data yang diperlukan untuk mengakses sifat mekanik proton.”
Ternyata proses spesifik ini – hamburan Compton virtual dalam (DVCS) – mungkin terkait dengan bagaimana gravitasi berinteraksi dengan materi. Versi umum dari hubungan ini diberikan dalam buku teks tahun 1973 tentang teori relativitas umum Einstein yang disebut “Gravitasi” oleh Charles W. Misner, Kip S. Thorne, dan John Archibald Wheeler.
Di dalamnya mereka menulis: “Setiap medan spin-2 yang tidak bermassa akan menimbulkan gaya yang tidak dapat dibedakan dari gravitasi, karena medan spin-2 yang tidak bermassa akan berpasangan dengan tensor energi-tekanan dengan cara yang sama seperti interaksi gravitasi. .”
Tiga dekade kemudian, ahli teori Maxim Polyakov menindaklanjuti gagasan ini ketika ia mengembangkan landasan teori yang menghubungkan proses DVCS dan interaksi gravitasi.
“Terobosan teori ini membangun hubungan antara pengukuran hamburan Compton virtual dalam dan faktor bentuk gravitasi. Dan kami mampu memanfaatkannya untuk pertama kalinya dan mengeluarkan tekanan yang kami lakukan di pertandingan Alam kertas pada tahun 2018 dan sekarang gaya normal dan gaya geser,” jelas Burkert.
Penjelasan lebih rinci mengenai hubungan antara proses DVCS dan interaksi gravitasi dapat ditemukan dalam makalah ini yang menjelaskan hasil pertama yang diperoleh dari penelitian ini.
Arah masa depan dan kemajuan teoretis
Para peneliti mengatakan langkah selanjutnya adalah berupaya mengekstraksi informasi yang mereka perlukan dari data DVCS yang ada untuk menentukan ukuran mekanis proton untuk pertama kalinya. Mereka juga berharap dapat memanfaatkan statistik yang lebih baru, lebih tinggi, dan eksperimen energi lebih tinggi yang terus meneliti DVCS pada proton.
Sementara itu, rekan penulis penelitian ini kagum dengan banyaknya upaya teoretis baru, yang dirinci dalam ratusan publikasi teoretis, yang mulai menggunakan jalur baru ini untuk menyelidiki sifat mekanik proton.
“Dan juga sekarang kita berada di era penemuan baru dengan Rencana Ilmu Nuklir Jangka Panjang 2023 yang baru-baru ini dirilis. Ini akan menjadi pilar utama dalam arah ilmu pengetahuan dengan fasilitas baru dan pengembangan detektor baru. Kami berharap dapat melihat lebih banyak lagi apa yang bisa dilakukan,” kata Burkert.
Elouadhriri setuju.
“Dan menurut saya, ini hanyalah permulaan dari sesuatu yang lebih besar di masa depan.” Ini telah mengubah cara kita berpikir tentang struktur proton,” katanya.
“Kami sekarang dapat mengekspresikan struktur partikel subnuklir dalam bentuk gaya, tekanan, dan besaran fisik yang bahkan dapat dipahami oleh non-fisikawan,” tambah Burkert.
Referensi: “Kolokium: Faktor bentuk gravitasi proton” oleh VD Burkert, L. Elouadrhiri, FX Girod, C. Lorcé, P. Schweitzer, dan PE Shanahan, 22 Des 2023, Review of Modern Physics.
DOI: 10.1103/RevModPhys.95.041002
Studi ini didanai oleh Departemen Energi AS, National Science Foundation, Carl G. dan Shirley Sontheimer Research Fund.
+ There are no comments
Add yours