Ilmuwan Temukan Keterjeratan Kuantum dalam Proton, Mengungkap Fenomena Mengerikan dalam Fisika Partikel

PARA ilmuwan menggunakan tabrakan partikel energi tinggi untuk menelusuri bagian dalam proton, partikel yang berada di dalam inti semua atom. Ini mengungkapkan untuk pertama kalinya bahwa quark dan gluon, blok pembangun proton, mengalami fenomena keterjeratan kuantum.

Keterjeratan adalah aspek dari fisika kuantum yang mengatakan bahwa dua partikel yang terpengaruh dapat saling memengaruhi "keadaan" satu sama lain secara instan, tidak peduli sejauh mana mereka terpisah. Albert Einstein mendirikan teori relativitasnya berdasarkan gagasan tidak ada yang bisa bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya, namun hal ini seharusnya mencegah keterjeratan terjadi secara instan.

Namun, Einstein meragukan keterjeratan, fenomena "mengerikan" ini telah dibuktikan berulang kali. Banyak dari verifikasi tersebut berfokus pada pengujian jarak yang semakin jauh di mana keterjeratan dapat dibuktikan. Uji coba baru ini mengambil pendekatan yang berbeda, menyelidiki keterjeratan pada jarak yang sangat kecil, hanya satu kuadriliun meter, dan menemukan keterjeratan benar-benar terjadi dalam proton individu.

Baca juga : Mencengangkan, Penelitian Ungkap Jumlah Semut di Bumi Capai 20 Kuadriliun

Tim peneliti menemukan berbagi informasi yang mendefinisikan keterjeratan terjadi di seluruh kelompok partikel dasar yang disebut quark dan gluon dalam proton.

"Sebelum kami melakukan pekerjaan ini, tidak ada yang memeriksa keterjeratan di dalam proton dalam data tabrakan energi tinggi eksperimen," kata anggota tim dan fisikawan Brookhaven Lab, Zhoudunming Tu, dalam sebuah pernyataan. "Selama beberapa dekade, kami memiliki pandangan tradisional tentang proton sebagai kumpulan quark dan gluon, dan kami fokus pada pemahaman sifat partikel tunggal, termasuk bagaimana quark dan gluon terdistribusi di dalam proton."

Dengan bukti quark dan gluon terjerat, gambaran ini telah berubah. Kami sekarang memiliki sistem yang lebih rumit dan dinamis.

Baca juga : Benarkah Pil Kontrasepsi Bisa Pengaruhi Suasana Hati dan Picu Depresi? Begini Hasil Studinya 

Penelitian tim ini, yang merupakan puncak dari enam tahun pekerjaan, memperbaiki pemahaman ilmuwan tentang bagaimana keterjeratan memengaruhi struktur proton.

Keterjeratan yang Membingungkan

Untuk menyelidiki struktur dalam proton, ilmuwan memeriksa tabrakan partikel energi tinggi yang terjadi di fasilitas seperti Large Hadron Collider (LHC). Ketika partikel bertabrakan pada kecepatan sangat tinggi, partikel lain terlempar dari tabrakan seperti reruntuhan yang terlempar dari tabrakan dua kendaraan.

Baca juga : Dokter AS: Label Minuman Beralkohol Harus Cantumkan Peringatan Risiko Kanker

Tim ini menggunakan teknik yang dikembangkan pada 2017 yang menerapkan ilmu informasi kuantum untuk tabrakan elektron-proton guna menentukan bagaimana keterjeratan memengaruhi jalur partikel yang terlempar. Jika quark dan gluon terjerat dengan proton, teknik ini mengatakan itu akan terungkap melalui ketidakteraturan, atau "entropi," yang terlihat dalam semburan partikel hasil tabrakan.

"Bayangkan kamar anak yang berantakan, dengan pakaian kotor dan barang-barang lain berserakan," kata Tu. "Di kamar yang tidak teratur itu, entropinya sangat tinggi."

Kontras dengan ini adalah situasi entropi rendah yang mirip dengan kamar yang rapi dan teratur di mana segala sesuatu disusun dengan tepat di tempatnya. Sebuah kamar yang berantakan menunjukkan keterjeratan, jika boleh dikatakan.

Baca juga : Sembilan Cara Penguatan Kesehatan Otak dan Hilangkan Stres

"Untuk keadaan keterjeratan maksimal quark dan gluon, ada hubungan sederhana yang memungkinkan kami untuk memprediksi entropi partikel yang dihasilkan dalam tabrakan energi tinggi," kata teoretikus Brookhaven Lab, Dmitri Kharzeev, dalam pernyataan tersebut. "Kami menguji hubungan ini menggunakan data eksperimen."

Untuk menyelidiki seberapa "berantakan" partikel setelah tabrakan, tim pertama kali mengacu pada data yang dihasilkan oleh tabrakan proton-proton yang dilakukan di LHC. Kemudian, untuk mencari data yang "lebih bersih," para peneliti melihat tabrakan elektron-proton yang dilakukan di Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA) dari 1992 hingga 2007.

Data ini diserahkan tim H1 dan juru bicara serta peneliti Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Stefan Schmitt, setelah pencarian selama tiga tahun melalui hasil HERA.

Membandingkan data HERA dengan perhitungan entropi, hasil tim ini cocok dengan prediksi mereka dengan sempurna, memberikan bukti kuat quark dan gluon di dalam proton terjerat secara maksimal.

"Keterjeratan tidak hanya terjadi antara dua partikel, tetapi di antara semua partikel," kata Kharzeev. "Keterjeratan maksimal di dalam proton muncul sebagai konsekuensi dari interaksi kuat yang menghasilkan sejumlah besar pasangan quark-antiquark dan gluon."

Pengungkapan keterjeratan maksimal quark dan gluon dalam proton dapat membantu mengungkap apa yang menjaga partikel dasar ini tetap terikat bersama dengan blok pembangun inti atom.

Mengungkap rincian keterjeratan antara quark dan gluon dapat membantu ilmuwan meneliti masalah lebih dalam dalam fisika nuklir, seperti bagaimana menjadi bagian dari inti atom yang lebih besar memengaruhi struktur proton. 

Misalnya, apakah meletakkan proton dalam lingkungan nuklir yang sangat sibuk yang dikelilingi oleh banyak proton dan neutron yang saling berinteraksi akan menghancurkan keterjeratan, sebuah proses yang disebut "dekoherensi kuantum," dengan proton individu?

"Untuk menjawab pertanyaan ini, kami perlu menabrakkan elektron tidak hanya dengan proton individu tetapi dengan inti," kata Tu. "Akan sangat membantu untuk menggunakan alat yang sama untuk melihat keterjeratan dalam proton yang tertanam dalam inti—untuk mengetahui bagaimana itu dipengaruhi oleh lingkungan nuklir."

Ini akan menjadi salah satu investigasi utama yang dilakukan Electron-Ion Collider (EIC) yang akan datang di Brookhaven Lab. Oleh karena itu, hasil ini dapat menjadi bagian penting dari peta jalan EIC, yang dijadwalkan mulai beroperasi pada 2030.

"Melihat keterjeratan dalam lingkungan nuklir pasti akan memberi tahu kami lebih banyak tentang perilaku kuantum ini dan mempelajari lebih lanjut tentang bagaimana hal itu terhubung dengan fenomena fisika nuklir dan partikel tradisional yang sedang kami coba selesaikan," kata Tu menyimpulkan. (Space/Z-3)