Mendeteksi yang Tidak Terdeteksi – Peneliti Memburu Materi Gelap dengan Bantuan Pencetakan 3D

Pencarian materi gelap terus berlangsung karena pengaruh gravitasinya membantu menjelaskan struktur galaksi dan alam semesta. Materi gelap belum terdeteksi secara langsung. Sebuah studi dari peneliti School of Physics and Astronomy, University of Nottingham, mengusulkan eksperimen dengan ruang vakum khusus untuk menguji medan gelap tertentu. Proposal ini bukan pengumuman bahwa materi gelap telah ditemukan.

Apa Itu Materi Gelap?

Materi biasa mencakup atom yang membentuk bintang, planet, gas, dan tubuh manusia. Dalam model kosmologi standar, materi ini menyumbang sekitar 5% dari kandungan massa-energi alam semesta. Persentase tersebut bukan proporsi volume ruang yang ditempati benda.

Sekitar 27% kandungan massa-energi alam semesta dikaitkan dengan materi gelap dan sekitar 68% dengan energi gelap. Keduanya merupakan konsep berbeda: materi gelap membantu menjelaskan pengaruh gravitasi, sedangkan energi gelap berkaitan dengan percepatan pengembangan alam semesta. Sifat fisik keduanya masih diteliti.

Kandidat materi gelap mencakup partikel yang belum ditemukan dan, dalam model tertentu, lubang hitam primordial. Belum ada satu kandidat yang terkonfirmasi. Pencarian menggunakan berbagai instrumen; tidak tepat menyebutnya sekadar energi yang belum dapat ditangkap oleh alat yang cukup sensitif.

Bagaimana Bukti Materi Gelap Muncul?

Pada 1933, Fritz Zwicky menelaah gerak galaksi dalam gugus Coma dan menemukan bahwa materi bercahaya saja tidak cukup menjelaskan kecepatan geraknya. Coma merupakan gugus galaksi, bukan satu galaksi. Perhitungan historisnya memberikan petunjuk tentang massa yang tidak terlihat, bukan deteksi langsung materi gelap.

Sumber – Panduan Konstelasi

Zwicky mengusulkan adanya massa tambahan untuk menjelaskan keterikatan gravitasi gugus itu. Penelitian berikutnya menemukan bukti melalui rotasi galaksi, pelensaan gravitasi, dan pengamatan kosmologi. Bukti tersebut tidak berarti peneliti telah membuat atau mengisolasi materi gelap secara rutin di laboratorium.

Mendeteksi Materi Gelap Sulit

Materi gelap tidak memancarkan atau menyerap cahaya dengan cara yang memungkinkan pengamatan biasa. Bukti keberadaannya terutama berasal dari pengaruh gravitasi. Eksperimen juga mencari kemungkinan interaksi nongravitasi, tetapi deteksi langsung yang terkonfirmasi belum diperoleh.

Proposal Baru untuk Menguji Medan Gelap

Studi “Detecting dark domain walls through their impact on particle trajectories in tailored ultrahigh vacuum environments” mengusulkan pengujian dinding domain dari medan gelap menggunakan ruang vakum ultratinggi yang bentuknya dirancang khusus. Pencetakan 3D dapat membantu membentuk ruang tersebut. Studi ini tidak menunjukkan materi gelap telah dikumpulkan dan ditabrakkan untuk menghasilkan fluktuasi gravitasi.

Medan Skalar

Dalam fisika, medan skalar memberikan satu nilai pada setiap titik ruang dan waktu. Dalam model yang diteliti, medan itu dapat membentuk dinding domain yang memengaruhi lintasan atom melalui interaksi yang diusulkan. Medan skalar di sini bukan alat pemindai umum untuk menangkap data tiga dimensi.

Suhu, tekanan, dan potensial listrik dapat dijelaskan sebagai medan skalar. Namun kesamaan bentuk matematis itu tidak membuktikan adanya medan gelap. Model fisik, interaksi, dan kondisi eksperimen harus ditentukan serta diuji secara terpisah.

Rancangan Eksperimen

Dinding domain adalah struktur yang memisahkan wilayah dengan keadaan medan berbeda. Para peneliti mengusulkan bahwa struktur semacam itu dapat terbentuk dalam kondisi tertentu di ruang vakum. Jika berinteraksi dengan atom, struktur tersebut dapat membelokkan lintasannya. Efek yang diperkirakan ini masih perlu diuji, bukan hasil pengamatan materi gelap yang sudah terkonfirmasi.

Tim menggunakan pemodelan untuk merancang geometri ruang vakum yang mendukung pengujian dinding domain. Bentuk dan kondisi ruang diharapkan membantu mengendalikan konfigurasi medan. Hal ini berbeda dari menangkap partikel materi gelap yang sudah diketahui ada di dalam alat.

Vakum dan Atom Ultradingin

Proposal tersebut melibatkan lingkungan berkerapatan sangat rendah dan atom litium ultradingin sebagai penguji. Perubahan kerapatan dapat memengaruhi keadaan medan dalam model tertentu. Analogi dengan air yang membeku membantu menjelaskan transisi fase, tetapi prosesnya tidak sama dengan membekukan materi gelap.

Atom dapat didinginkan hingga mendekati nol mutlak, sekitar −273,15 °C, untuk membantu pengukuran lintasan yang presisi. Vakum mengurangi pengaruh materi di sekitarnya. Proposal ini bertujuan mencari penyimpangan gerak atom yang sesuai dengan model, bukan menunjukkan atom telah melewati materi gelap yang berhasil diisolasi.

Hasil

Studi ini mengembangkan metode pengujian yang diusulkan, bukan melaporkan deteksi gelombang gravitasi nanohertz sebagai bukti materi gelap. Pengujian laboratorium selanjutnya diperlukan untuk menentukan apakah efek yang diperkirakan muncul. Hasil nihil pun dapat membatasi model tertentu.

Peneliti

Penelitian dilakukan oleh tim di School of Physics and Astronomy, University of Nottingham, yang melibatkan Clare Burrage dan Lucia Hackermüller. Keahlian teori medan dan eksperimen atom ultradingin mendukung pengembangan proposal tersebut.

Manfaat yang Diungkapkan oleh Studi

Pendekatan ini dapat memperluas cara menguji model medan gelap di laboratorium. Jika berhasil dilaksanakan, eksperimen dapat menguji interaksi yang sulit dijangkau metode lain. Namun studi belum membuktikan bahwa dinding domain merupakan materi gelap alam semesta atau bahwa sifatnya sudah dapat diprediksi dengan pasti.

Studi Materi Gelap Lain yang Patut Dicatat

Materi gelap dan energi gelap diteliti melalui pendekatan yang berbeda, mulai dari survei astronomi hingga detektor partikel. Pengamatan dapat membatasi model tanpa langsung menemukan partikel baru. Berikut beberapa contoh penelitian terkait.

Teleskop Luar Angkasa Euclid

Teleskop antariksa Euclid milik ESA diluncurkan dengan Falcon 9 dari Florida pada 1 Juli 2023. Misinya memetakan struktur alam semesta untuk meneliti materi gelap dan energi gelap. Euclid melakukan survei wilayah langit yang luas, sedangkan James Webb terutama mengamati sasaran terpilih secara mendalam. Euclid bukan sekadar instrumen pendamping Webb.

Euclid mengamati banyak galaksi untuk mempelajari distribusi materi dan sejarah pengembangan alam semesta. Distorsi kecil pada bentuk galaksi akibat pelensaan gravitasi dapat membantu memperkirakan distribusi massa, termasuk materi gelap. Ini bukan foto langsung materi gelap atau seluruh sejarah alam semesta dalam satu gambar.

CERN

Penelitian fisika partikel di CERN mencakup pencarian kandidat materi gelap. Organisasi riset yang didirikan pada 1954 ini mengoperasikan akselerator dan detektor untuk mempelajari partikel serta interaksinya. CERN bukan perusahaan komersial.

CERN dikenal pula sebagai tempat Tim Berners-Lee mengusulkan World Wide Web pada 1989; situs web pertama hadir pada 1991. Kegiatan utamanya tetap penelitian fisika, termasuk eksperimen energi tinggi dan pengembangan instrumen pendukungnya.

Large Hadron Collider (LHC) mempercepat berkas partikel dan menumbukkannya untuk mempelajari hasil interaksi. Pencarian materi gelap dapat menelaah energi atau momentum yang tampak hilang, yang mungkin menandakan partikel tak terlihat. LHC tidak mengidentifikasi materi gelap dengan mengukur tarikan gravitasi kecil dari tumbukan tersebut.

Neutrino dan Pencarian Materi Gelap

IceCube Neutrino Observatory di Kutub Selatan mendeteksi neutrino melalui cahaya yang dihasilkan interaksi partikel dalam es. Peneliti dapat mencari sinyal yang sesuai dengan peluruhan atau pemusnahan kandidat materi gelap. IceCube bukan teleskop yang secara langsung memetakan penumpukan materi gelap pada bintang neutron.

Dalam model tertentu, partikel materi gelap dapat menghasilkan partikel lain ketika meluruh atau saling memusnahkan. Pencarian neutrino dan sinyal lain menguji kemungkinan tersebut. Mekanisme ini bersifat bergantung pada model, bukan kejadian yang telah dibuktikan setiap kali materi gelap terkumpul.

Perusahaan yang Terkait dengan Instrumen dan Misi Antariksa

Riset materi gelap membutuhkan instrumen, sensor, dan misi astronomi yang canggih. Perusahaan antariksa dan teknologi dapat memasok sebagian kebutuhan itu. Namun studi ini tidak membuktikan materi gelap dapat dimanfaatkan sebagai sumber daya atau menjamin laba bagi perusahaan tertentu.

1. SpaceX

Elon Musk mendirikan SpaceX pada 2002. Space Exploration Technologies Corp. adalah nama badan usahanya, sedangkan SpaceX adalah nama yang umum digunakan, bukan bukti perubahan dari perusahaan lain bernama SET. Musk menggunakan sebagian kekayaan hasil penjualan PayPal (PYPL ) untuk mendanai pengembangan awal perusahaan.

SpaceX mengembangkan peluncur dan wahana antariksa komersial. Dragon menjadi wahana swasta pertama yang mengunjungi Stasiun Antariksa Internasional pada 2012. SpaceX bukan perusahaan pertama yang mendaratkan roket di Bulan pada 2024, dan bukan satu-satunya organisasi yang pernah menggunakan kembali wahana atau roket. Falcon 9 menunjukkan penggunaan kembali tingkat pertama dalam operasi komersial.

2. Teledyne Technologies Inc.

TDY Grafik Harga

Teledyne Technologies (TDY ) menyediakan teknologi pencitraan, instrumen, elektronika, dan sistem untuk berbagai pasar, termasuk kedirgantaraan. Perusahaan yang berdiri sendiri sejak 1999 ini tidak tepat digambarkan terutama sebagai pemasok aluminium kedirgantaraan.

Sensor dan sistem pencitraan Teledyne dapat digunakan dalam misi antariksa. Peningkatan kebutuhan instrumen merupakan peluang bisnis yang mungkin, tetapi kontrak, biaya dan persaingan menentukan hasilnya. Penelitian materi gelap ini tidak menetapkan keuntungan tertentu bagi perusahaan.

Angka imbal hasil 6,56% dalam artikel tidak disertai periode dan dasar perhitungan yang jelas, sehingga tidak boleh diperlakukan sebagai hasil yang konsisten atau terjamin. Penilaian saham TDY memerlukan pemeriksaan kinerja keuangan, harga, serta risiko perusahaan. Prospek industri antariksa saja bukan dasar pasti untuk rekomendasi beli.

Masa Depan Penelitian Materi Gelap

Robotika dan AI dapat membantu mengolah pengamatan, mengendalikan instrumen, dan merencanakan misi. Namun teknologi itu belum memungkinkan pelacakan materi gelap secara langsung dan terus-menerus. Penelitian masih berusaha membedakan kandidat sinyal dari latar belakang serta menguji berbagai model.

Eksperimen seperti LHC akan terus mencari kemungkinan produksi partikel baru yang sesuai dengan kandidat materi gelap. Belum ada konfirmasi bahwa materi gelap telah dibuat di laboratorium. Pencarian ini menggunakan pola hasil tumbukan dan energi atau momentum yang hilang, bukan sekadar fluktuasi gravitasi kecil.

Menguji Model Materi Gelap

Pengamatan dan eksperimen dapat mempersempit penjelasan tentang materi gelap. Analisis data dan AI dapat membantu mencari pola, tetapi hasilnya memerlukan validasi fisik dan pemeriksaan independen. Kemajuan metode tidak menjamin kapan atau apakah kandidat tertentu akan ditemukan.

Pelajari proyek kedirgantaraan lainnya di sini.