Sebuah diagram fase QCD akan memetakan distribusi materi biasa (dikenal sebagai materi hadronik), plasma quark-gluon, dan fase QCD lainnya seperti superkonduktivitas warna.
Dalam masa pertumbuhan, ketika alam semesta berusia beberapa sepersejuta detik, konstituen unsur materi bergerak bebas dalam sup quark dan gluon yang panas dan padat. Seiring alam semesta mengembang, plasma quark-gluon ini cepat mendingin, dan proton, neutron serta bentuk materi normal lainnya “membeku”: quark menjadi terikat satu sama lain oleh pertukaran gluon, pembawa daya warna.
“Teori yang menjelaskan daya warna disebut kromodinamika kuantum, atau QCD (quantum chromodynamics),” kata Nu Xu dari Departemen Energi AS Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley (Lab Berkeley), juru bicara untuk percobaan STAR pada Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) di Laboratorium Nasional Brookhaven DOE. “QCD telah sangat sukses menjelaskan interaksi quark dan gluon pada jarak pendek, seperti tumbukan berenergi tinggi antar proton dan antiproton di Fermi National Accelerator Laboratory. Namun dalam pengumpulan massal materi – termasuk plasma quark-gluon – pada jarak yang lebih panjang atau transfer momentum yang lebih kecil, sebuah pendekatan yang disebut teori tolok kisi harus digunakan.”
Sampai saat ini, QCD kisi yang mengkalkulasi materi masal yang padat dan panas tidak mampu diuji dalam percobaan. Bagaimanapun juga, mulai tahun 2000, RHIC mampu menciptakan kondisi ekstrim awal alam semesta dalam miniatur, dengan menabrakkan inti emas (ion berat) pada tingkat energi tinggi.
Proton atau neutron biasa (depan) dibentuk dari tiga quark yang diikat oleh gluon, pembawa daya warna. Di atas temperatur kritis, proton, neutron dan bentuk materi hadronik lainnya "meleleh" ke dalam sup quark yang bebas dan gluon (latar belakang), yaitu plasma quark-gluon. (Kredit: Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley)
Para eksperimentalis di RHIC, bekerja sama dengan ahli teori Sourendu Gupta dari Institut Tata Riset Fundamental India, untuk pertama kalinya membandingkan prediksi teori-kisi tentang sifat plasma quark-gluon dengan hasil eksperimental STAR tertentu. Dengan demikian mereka telah menetapkan batas temperatur di mana materi biasa dan materi quark menyeberang dan berubah fase. Hasilnya muncul dalam jurnal Science.
Diagram Fase
Tujuan dari kerja teoritis dan eksperimental ini adalah mengeksplorasi dan memperbaiki poin kunci dalam diagram fase untuk kromodinamika kuantum. Diagram fase adalah peta yang menunjukkan, misalnya, bagaimana perubahan tekanan dan temperatur menentukan fase air, entah itu es, zat cair, maupun uap. Sebuah diagram fase QCD akan memetakan distribusi materi biasa (dikenal sebagai materi hadronik), plasma quark-gluon, dan fase QCD lainnya seperti superkonduktivitas warna.
“Alur diagram fasa QCD membutuhkan perhitungan teori maupun upaya ekspimental dengan tumbukan ion-berat,” kata Xu, yang adalah anggota Divisi Sains Nuklir Lab Berkeley dan salah satu penulis dalam makalah Science. Penelitian eksperimental memerlukan akselerator kuat seperti RHIC di Long Island atau Large Hadron Collider di CERN, Jenewa, sedangkan perhitungan QCD yang menggunakan teori tolok kisi membutuhkan superkomputer terbesar di dunia dan tercepat. Perbandingan langsung lebih dapat dicapai dari sekedar pendekatan saja.
Salah satu persyaratan dasar dari setiap diagram fase adalah menetapkan skalanya. Sebuah diagram fase air mungkin didasarkan pada skala suhu Celcius, didefinisikan dengan titik didih air di bawah tekanan normal (yaitu, pada permukaan laut). Meskipun titik didih berubah bersama tekanannya – pada tingkat air mendidih yang lebih tinggi pada suhu yang lebih rendah – perubahan-perubahan ini diukur terhadap nilai tetapnya.
Skala diagram fase QCD didefinisikan dengan suhu transisi pada nilai nol “kimia baryon potensial”. Kimiabaryon potensial mengukur ketidakseimbangan antara materi dan antimateri, dan nol menunjukkan keseimbangan yang sempurna.
Melalui perhitungan yang ekstesif dan data yang aktual dari percobaan STAR, tim riset memang mampu menetapkan suhu transisi QCD. Namun, sebelum bisa melakukannya, pertama-tama mereka harus menyadari hasil yang sama-sama signifikannya, menunjukkan bahwa sistem yang sangat dinamis pada tumbukan emas RHIC, di mana plasma quark-gluon berkedip masuk dan keluar dari keberadaan, pada faktanya mencapai kesetimbangan termal. Di sinilah teori dan eksperimen bekerja bergandengan tangan.
"Perkiraan saat ini" untuk diagram fase QCD. Batas antara fase suhu rendah normal (hadronik) dan fase suhu tinggi plasma quark-gluon ditandai dalam warna hitam. Kotak persegi pada garis padat menunjukkan masih-ditemukannya titik kritis di mana fase dapat berdampingan; hanya RHIC satu-satunya penumbuk ion-berat yang energinya dapat diatur di seluruh wilayah di mana ia cenderung diletakkan. Neutron, proton dan partikel materi biasa lainnya (termasuk partikel antimateri) yang terdeteksi setelah mereka "membeku" dari bola api yang disebabkan tumbukan ion-berat seperti yang dilakukan pada RHIC, ditunjukkan oleh garis putus-putus. Ke kanan adalah wilayah kemungkinan "superkonduktivitas warna". (Kredit: Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley)
“Bola-bola api yang terjadi ketika inti emas berbenturan semuanya berbeda, sangat dinamis, dan berakhir dalam waktu yang sangat singkat,” kata Hans Georg Ritter, kepala program Tumbukan Nuklir Relativistika di Divisi Sains Nuklir Lab Berkeley dan juga salah satu penulis dalam makalah Science. Namun karena perbedaan dalam nilai-nilai dari jenis yang diobservasi oleh STAR terkait dengan fluktuasi nilai termodinamika yang diprediksi oleh teori tolok kisi, kata Ritter, “dengan membandingkan hasil kami dengan prediksi teori, kami telah menunjukkan bahwa apa yang kami ukur sebenarnya konsisten dengan bola api yang mencapai kesetimbangan termal. Ini adalah prestasi yang penting.”
Para ilmuwan kini dengan percaya diri mampu menetapkan skala diagram fase QCD. Setelah membandingkan secara hati-hati antara data eksperimental dan hasil perhitungan teori tolok kisi, para ilmuwan menyimpulkan bahwa temperatur transisi (dinyatakan dalam satuan energi) adalah 175 MeV (175 juta elektron volt).
Maka tim riset bisa mengembangkan sebuah “dugaan” diagram fase yang menunjukkan batas antara fase hadronik suhu rendah materi biasa dan suhu-tinggi quark-gluon.
Pencarian Titik Kritis
QCD kisi juga memprediksi keberadaan “titik kritis”. Dalam diagram fase QCD, titik kritis menandai akhir garis yang menunjukkan di mana dua fase menyeberang, dari satu ke yang lainnya. Dengan mengubah energi, misalnya, kimia baryon potensial (keseimbangan materi dan antimateri) dapat disesuaikan.
Di antara penumbuk-penumbuk ion-berat di dunia, hanya RHIC yang dapat mengatur energi tumbukan melalui wilayah diagram fase QCD di mana titik kritisnya paling mungkin untuk ditemukan – dari energi 200 miliar volt elektron per pasangan nukleon (proton atau neutron) hingga ke 5 miliar elektron volt per pasangan nukleon.
Ritter mengatakan, “Menetapkan keberadaan titik kritis QCD akan jauh lebih signifikan daripada pengaturan skala.” Pada tahun 2010, RHIC telah memulai program untuk mencari titik kritis QCD.
Xu mengatakan, “Dalam makalah ini, kami membandingkan data eksperimen dengan perhitungan kisi secara langsung, sesuatu yang belum pernah dilakukan sebelumnya. Ini merupakan langkah nyata ke depan dan memungkinkan kita untuk menetapkan skala diagram fase QCD. Maka, dimulailah era pengukuran presisi untuk fisika ion-berat.”
Sumber :
No comments:
Post a Comment