Wawasan menakjubkan tentang asal usul materi di awal alam semesta

Gambar seorang seniman tentang semburan partikel yang dihasilkan dari tumbukan dua atom berat. Saat sup subatom panas mendingin, partikel-partikel baru yang terbentuk jatuh ke luar angkasa. Hak Cipta: Joseph Domenicus Lapp, editor

Para ilmuwan telah menciptakan kembali kondisi ekstrem alam semesta awal melalui akselerator partikel, sehingga mengungkap wawasan mengejutkan tentang pembentukan materi.

Perhitungan baru menunjukkan bahwa hingga 70% dari beberapa partikel mungkin berasal dari reaksi selanjutnya, bukan dari sup kuark-gluon awal yang terbentuk segera setelah reaksi. Ledakan besarPenemuan ini menantang asumsi sebelumnya mengenai garis waktu pembentukan materi dan menunjukkan bahwa sebagian besar materi di sekitar kita terbentuk lebih lambat dari yang diperkirakan. Dengan memahami proses-proses ini, para ilmuwan dapat menafsirkan hasil eksperimen tumbukan dengan lebih baik dan meningkatkan pengetahuan mereka tentang asal usul alam semesta.

Menciptakan kembali kondisi keras yang terjadi di alam semesta awal

Suhu alam semesta awal 250.000 kali lebih panas dibandingkan inti matahari. Suhu ini terlalu panas untuk memungkinkan terbentuknya proton dan neutron yang membentuk materi sehari-hari. Para ilmuwan menciptakan kembali kondisi alam semesta awal melalui akselerator partikel dengan menghancurkan atom-atom bersama-sama dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Mengukur jumlah partikel yang dihasilkan memungkinkan para ilmuwan memahami bagaimana materi terbentuk.

Partikel-partikel yang diukur para ilmuwan dapat terbentuk dengan berbagai cara: dari sup asli quark dan gluon, atau dari interaksi selanjutnya. Interaksi selanjutnya ini dimulai 0,000001 detik setelah Big Bang, ketika partikel komposit yang terdiri dari quark mulai berinteraksi satu sama lain. Perhitungan baru menemukan bahwa hingga 70% dari beberapa partikel yang diukur berasal dari interaksi selanjutnya, bukan dari interaksi serupa yang terjadi di alam semesta awal.

Memahami asal usul materi

Penemuan ini meningkatkan pemahaman ilmiah tentang asal usul materi. Hal ini membantu menentukan berapa banyak materi di sekitar kita yang terbentuk dalam sepersekian detik pertama setelah Big Bang, dibandingkan dengan jumlah materi yang terbentuk dari interaksi selanjutnya seiring perluasan alam semesta. Hasil ini menunjukkan bahwa sejumlah besar materi di sekitar kita terbentuk lebih lambat dari yang diperkirakan.

Untuk memahami hasil eksperimen tumbukan, para ilmuwan harus mengesampingkan partikel yang terbentuk dalam interaksi selanjutnya. Hanya yang terbentuk dalam sup subatom yang mengungkap kondisi awal alam semesta. Perhitungan baru ini menunjukkan bahwa jumlah partikel yang terbentuk dalam reaksi tersebut jauh lebih tinggi dari yang diharapkan.

Pentingnya reaksi selanjutnya dalam pembentukan partikel

Pada tahun 1990-an, fisikawan menyadari bahwa beberapa partikel terbentuk dalam jumlah besar dari interaksi berikutnya setelah awal pembentukan alam semesta. Partikel yang disebut meson D dapat berinteraksi membentuk partikel langka, karmonium. Para ilmuwan tidak sepakat mengenai betapa pentingnya efek ini. Karena karmonium jarang terjadi, maka sulit diukur.

Namun, eksperimen terbaru memberikan data tentang jumlah tumbukan yang dihasilkan oleh karmonium dan meson D. Universitas Yale Duke University menggunakan data baru untuk menghitung kekuatan efek ini. Pentingnya hal ini ternyata jauh lebih besar dari yang diharapkan. Lebih dari 70% karmonium yang diukur dapat terbentuk dalam reaksi.

Implikasi untuk memahami asal usul materi

Saat sup panas partikel subatom mendingin, ia mengembang menjadi bola api. Dan semua ini terjadi dalam waktu kurang dari seperseratus waktu yang dibutuhkan cahaya untuk menyeberang jagungKarena kecepatannya yang begitu cepat, para ilmuwan tidak sepenuhnya yakin bagaimana bola api itu meluas.

Perhitungan baru menunjukkan bahwa para ilmuwan tidak perlu mengetahui rincian perluasan ini. Namun, tumbukan menghasilkan karmonium dalam jumlah besar. Hasil baru ini membawa para ilmuwan selangkah lebih dekat untuk memahami asal usul materi.

Referensi: “Regenerasi J/ψ Hadron dalam Tabrakan Pb+Pb” oleh Josef Dominicus Lapp dan Bernt Müller, 11 Oktober 2023, Fisika huruf b.
doi: 10.1016/j.physletb.2023.138246

Pekerjaan ini didukung oleh Kantor Sains Departemen Energi, Program Fisika Nuklir. Salah satu peneliti juga mengucapkan terima kasih atas keramahtamahan dan dukungan finansial yang diberikan selama tinggal di Universitas Yale.