Penelitian Baru Mengungkap Batas Massa untuk Kandidat Materi Gelap

MATERI gelap tidak bisa terlalu berat atau dapat merusak model terbaik kita tentang alam semesta, menurut penelitian baru.

Ada banyak bukti bahwa ada sesuatu yang aneh terjadi di alam semesta. Bintang-bintang mengorbit dalam galaksi terlalu cepat. Galaksi bergerak di dalam gugus galaksi terlalu cepat. Struktur berkembang dan berevolusi terlalu cepat. Jika kita hanya menghitung materi yang bisa kita lihat, tidak ada cukup gravitasi untuk menjelaskan semua perilaku ini.

Mayoritas kosmolog percaya semua fenomena ini dapat dijelaskan dengan adanya materi gelap, suatu bentuk materi hipotetik yang memiliki massa, netral secara elektrik, dan hampir tidak, jika pernah, berinteraksi dengan materi normal. Materi gelap ini menyusun sebagian besar massa di alam semesta, jauh lebih banyak dibandingkan materi bercahaya.

Baca juga : Teori Baru Alam Semesta Muda: Inflasi Tanpa Inflaton?

Identitas materi gelap masih menjadi misteri, karena eksperimen yang dirancang untuk mendeteksi tabrakan langka dan terpencil gagal menemukan apapun. Namun, eksperimen-eksperimen ini fokus pada menargetkan rentang massa tertentu: sekitar 10 hingga 1.000 giga-elektronvolt (GeV). (Satu GeV setara dengan 1 miliar elektronvolt.) 

Itu berada dalam rentang partikel paling berat yang diketahui, seperti boson W dan quark atas. Selama beberapa dekade, para teoretikus lebih memilih rentang massa ini karena beberapa perpanjangan sederhana dari Model Standar fisika partikel memprediksi keberadaan partikel semacam itu.

Namun, karena kita belum menemukan apapun hingga saat ini, kita mulai bertanya-tanya apakah materi gelap mungkin lebih ringan atau lebih berat daripada yang kita kira. Tetapi materi gelap yang lebih berat menghadapi beberapa masalah serius, menurut sebuah makalah baru yang dipublikasikan di basis data preprint arXiv.

Baca juga : Keretakan pada Aliran Bintang GD-1 Bisa Menunjukkan Interaksi Materi Gelap dengan Dirinya Sendiri

Masalahnya adalah materi gelap kadang-kadang berinteraksi dengan materi normal, meskipun hanya jarang. Tetapi di alam semesta awal, ketika kosmos masih jauh lebih panas dan padat, interaksi ini jauh lebih sering. Akhirnya, ketika alam semesta berkembang dan mendingin, interaksi ini melambat dan kemudian berhenti, menyebabkan materi gelap "membeku" dan tetap diam di latar belakang.

Meskipun ada banyak sekali model kandidat materi gelap potensial, banyak yang berinteraksi dengan partikel biasa melalui pertukaran yang melibatkan boson Higgs. Partikel dasar yang berinteraksi dengan hampir semua partikel lain dan, melalui interaksi tersebut, memberikan massa kepada partikel-partikel tersebut.

Kami mengetahui massa boson Higgs: sekitar 125 GeV. Para peneliti menemukan bahwa massa ini memberikan batas atas mendasar pada massa kandidat materi gelap yang paling mungkin.

Baca juga : Rekor Baru: Parker Solar Probe Nyaris Sentuh Matahari

Masalahnya adalah semua interaksi dalam fisika adalah jalan dua arah. Higgs berbicara dengan materi gelap dan materi biasa dan, dalam banyak model, memediasi interaksi antara keduanya. Tetapi kedua jenis materi juga berbicara kembali kepada Higgs. Interaksi ini muncul sebagai modifikasi kecil terhadap massa boson Higgs.

Untuk partikel-partikel Model Standar, kita dapat menghitung koreksi-koreksi dan interaksi umpan balik ini, yang merupakan cara para teoretikus memprediksi massa boson Higgs jauh sebelum ia terdeteksi.

Para peneliti menemukan jika partikel materi gelap memiliki massa lebih besar dari beberapa ribu GeV, kontribusinya terhadap massa Higgs akan sangat penting, mendorongnya menjauh dari nilai yang diamati. Pasalnya Higgs sangat penting dalam menentukan banyak aspek dasar fisika lainnya, hal ini akan pada dasarnya menghentikan interaksi partikel sama sekali.

Baca juga : Ada Reservoir Air Raksasa 140 Triliun Kali Lautan Bumi di Sekitar Quasar

Namun, ada kemungkinan untuk mengatasi pembatasan ini. Materi gelap mungkin tidak berinteraksi dengan partikel biasa sama sekali, atau interaksi tersebut mungkin terjadi melalui mekanisme eksotik yang tidak melibatkan Higgs. Tetapi model-model tersebut sangat jarang dan memerlukan banyak penyetelan halus dan langkah tambahan.

Atau bisa jadi materi gelap lebih ringan dari yang kita kira. Jika kita tidak menganggap materi gelap yang berat sebagai kandidat yang layak, maka saat kita terus belajar tentang komponen misterius ini dari alam semesta, kita bisa fokus pada upaya kita ke arah yang berlawanan. Sudah ada lonjakan minat terhadap aksion, partikel ultra-ringan yang diprediksi dalam beberapa model fisika partikel dan mungkin menjadi kandidat materi gelap yang layak.

Di sisi eksperimen, jika hasil ini dikonfirmasi dan terbukti menjadi pembatasan yang luas pada massa partikel materi gelap, kita bisa menyempurnakan dan merancang ulang eksperimen kita untuk mencari partikel massa rendah, alih-alih partikel massa tinggi. (Space/Z-3)