Penelitian baru menunjukkan bahwa materi gelap yang 'berat' akan merusak pemahaman kita tentang alam semesta
Materi gelap tidak boleh terlalu berat karena bisa merusak model alam semesta terbaik kita, menurut penelitian baru.
Kita punya banyak sekali bukti bahwa sesuatu yang mencurigakan sedang terjadi di alam semesta. Bintang mengorbit di dalam galaksi terlalu cepat. Galaksi bergerak dalam gugus terlalu cepat. Struktur tumbuh dan berkembang terlalu cepat. Jika kita hanya menghitung materi yang bisa kita lihat saja, maka jumlahnya tidaklah cukup gaya berat untuk menjelaskan semua perilaku ini.
Mayoritas kosmolog percaya bahwa semua fenomena ini dapat dijelaskan melalui kehadiran materi gelapsuatu bentuk materi hipotetis yang masif, netral secara listrik dan hampir tidak pernah berinteraksi dengan materi normal. Materi gelap ini menyusun sebagian besar massa di alam semesta, jauh melebihi jumlah materi bercahaya.
Identitas materi gelap masih menjadi misteri, karena eksperimen yang dirancang untuk mendeteksi tabrakan yang jarang terjadi telah gagal menemukan hasil apa pun. Namun eksperimen ini berfokus pada penargetan rentang massa tertentu: sekitar 10 hingga 1.000 giga-elektron volt (GeV). (A GeV setara dengan 1 miliar elektron volt.) Nilai tersebut berada dalam rentang partikel terberat yang diketahui, seperti boson W dan kuark atas. Selama beberapa dekade, para ahli teori menyukai rentang massa ini karena beberapa perluasan sederhana dari rentang tersebut Model Standar fisika partikel meramalkan keberadaan partikel tersebut.
Karena kami belum menemukan apa pun, kami mulai bertanya-tanya apakah materi gelap mungkin lebih ringan atau lebih berat dari yang kami duga. Namun menurut penelitian baru, materi gelap yang lebih berat menimbulkan beberapa masalah serius kertas dipublikasikan ke database pracetak arXiv.
Masalahnya adalah itu materi gelap terkadang berinteraksi dengan materi normalmeski jarang. Namun di alam semesta awal, ketika kosmos jauh lebih panas dan padat, interaksi ini jauh lebih sering terjadi. Pada akhirnya, ketika alam semesta mengembang 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 Higgs boson — partikel fundamental yang berinteraksi dengan hampir semua partikel lain dan, melalui interaksi tersebut, memberi massa pada partikel tersebut.
Kita mengetahui massa Higgs boson: sekitar 125 GeV. Para peneliti menemukan bahwa massa ini memberikan batas atas yang mendasar pada kemungkinan massa sebagian besar kandidat materi gelap.
Masalahnya adalah semua interaksi dalam fisika bersifat dua arah. Higgs berinteraksi dengan materi gelap dan materi biasa dan, dalam banyak model, memediasi interaksi di antara keduanya. Namun kedua jenis masalah tersebut juga berbicara kembali kepada Higgs. Interaksi ini muncul sebagai sedikit modifikasi pada massa Higgs boson.
Untuk partikel Model Standar, kita dapat menghitung koreksi dan interaksi umpan balik ini, yang merupakan cara para ahli teori memperkirakan massa Higgs boson jauh sebelum terdeteksi.
Para peneliti menemukan bahwa jika partikel materi gelap memiliki massa lebih besar dari beberapa ribu GeV, kontribusinya terhadap massa Higgs akan sangat penting, sehingga menjauhkannya dari nilai pengamatannya. Dan karena Higgs sangat penting dalam menentukan banyak fisika fundamental lainnya, maka pada dasarnya Higgs akan menghentikan interaksi partikel sama sekali.
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. Namun model-model tersebut jumlahnya sedikit dan jarang serta memerlukan banyak penyesuaian dan langkah ekstra.
Atau bisa jadi materi gelap lebih terang dari yang kita duga. Jika menurut kita materi gelap berat bukanlah kandidat yang layak, maka seiring kita terus mempelajari komponen misterius alam semesta ini, kita bisa memfokuskan upaya kita ke arah lain. Telah ada peningkatan minat terhadap sumbu, partikel ultralight yang diprediksi dalam beberapa model fisika partikel dan mungkin merupakan kandidat materi gelap yang layak.
Di sisi eksperimental, jika hasil ini dikonfirmasi dan dianggap sebagai pembatasan luas pada massa partikel materi gelap, kita dapat menyempurnakan dan mendesain ulang eksperimen kita untuk mencari partikel bermassa rendah, bukan bermassa tinggi.
Awalnya diposting di Luar Angkasa.com.
