"Dengan menggunakan hasil ini, kami bisa menggambarkan kalkulasi numerik dari sejumlah penelitian besar di CERN dan universitas terkemuka dengan sangat akurat."
Pada Large Hadron Collider milik CERN, proton-proton saling bertabrakan satu sama lain pada tingkat energi yang sangat tinggi dalam rangka ‘menghancurkan’ proton-proton tersebut dan mempelajari partikel dasar alam – termasuk quark. Quark ditemukan di setiap proton dan terikat bersamaan oleh kekuatan-kekuatan yang menyebabkan semua kekuatan alam lainnya memudar. Untuk memahami dampak dari kekuatan yang kuat di antara quark merupakan salah satu tantangan terbesar dalam fisika partikel modern. Hasil teoritis terbaru dari Institute Niels Bohr menunjukkan bahwa besaran kuantitas bilangan acak dapat menggambarkan cara di mana quark ‘berayun’ di dalam proton.
Hasilnya telah diterbitkan di arXiv dan akan diterbitkan dalam jurnal Physical Review Letters.
Sama halnya seperti kita harus tunduk, misalnya, pada hukum gravitasi dan bukan hanya mengapung di sekitar ruang tanpa bobot, quark di dalam proton juga tunduk pada hukum fisika. Quark merupakan salah satu yang terkecil di alam semesta, blok bangunan yang diketahui. Setiap proton dalam inti atom terdiri dari tiga quark, dan kekuatan-kekuatan di antara quark begitu kuat, namun mereka tidak pernah bisa – dalam keadaan normal, meloloskan diri dari proton
Quark bertangan kiri dan kanan
Quark menggabungkan muatan-muatan untuk memberikan proton muatannya. Tetapi jika Anda menambahkan massa quark, Anda tidak mendapatkan massa proton. Sebaliknya, massa proton tergantung pada bagaimana quark berayun. Osilasi dari quark juga bersifat sentral untuk berbagai fenomena fisik. Itulah mengapa para peneliti telah bekerja selama bertahun-tahun demi menemukan metode teoretis yang bisa menggambarkan osilasi dari quark.
Dua quark yang paling ringan, quark ‘naik’ dan ‘turun’, begitu ringan sehingga mereka dapat dianggap sebagai tak bermassa dalam praktek. Ada dua jenis quark tanpa massa, yang bisa disebut sebagai tangan-kiri dan tangan-kanan. Persamaan matematika yang mengatur gerakan quark menunjukkan bahwa quark tangan-kiri berayun terlepas dari tangan-kanan. Tapi meskipun persamaan itu benar, quark tangan-kiri menyukai ‘berayun’ dengan tangan-kanan.
Melanggar simetri spontan
“Meskipun terdengar seperti sebuah kontradiksi, namun ini sebenarnya merupakan landasan teori fisika. Fenomena ini disebut melanggar simetri spontan dan cukup mudah untuk mengilustrasikan,” jelas Kim Splittorff, Profesor Asosiasi dan fisikiawan partikel teoritis di Institut Niels Bohr. Ia memberikan contoh: Sebuah lantai dansa penuh dengan orang-orang yang berdansa diiringi musik berirama. Para pedansa pria mewakili quark tangan-kiri dan pedansa wanita mewakili quark tangan-kanan. Semua dansa tanpa pasangan dansa, dan oleh karena itu semua bisa berdansa dengan bebas. Sekarang DJ memutar iramaslow dance dan para pedansa berpasang-pasangan. Tiba-tiba, mereka tidak bisa berputar bebas sendiri. Pedansa pria (tangan-kiri) dan wanita (tangan-kanan) hanya dapat berputar berdasarkan kesepakatan pasangan. Kami mengatakan bahwa simetri ‘tiap orang yang berayun, independen dari orang lainnya’ adalah pecah menjadi simetri berbeda ‘pasangan yang dapat berayun, independen dari pasangan lainnya’.
Demikian pula dengan quark, ini merupakan solusi sederhana bahwa ayunan tangan-kiri tidak berayun dengan tangan-kanan. Tapi solusi yang lebih stabil adalah bahwa mereka bergandengan satu sama lain. Hal ini melanggar simetri spontan.
Dansa ke nada acak
“Selama beberapa tahun ini menjadi semakin jelas bahwa cara di mana quark tangan-kiri dan tangan-kanan berkumpul bisa dijelaskan dengan menggunakan kuantitas besar bilangan acak. Bilangan-bilangan acak ini merupakan elemen dalam matriks, yang salah satunya mungkin bisa dibayangkan sebagai sebuah Sudoku yang terisi secara acak. Dalam jargon teknis, ini disebut Matriks Acak,” jelas Kim Splittorff, yang telah mengembangkan teori baru bersama dengan Poul Henrik Damgaard, Niels Bohr International Academy dan Discovery Center dan Jac Verbaarschot, Stony Brook, New York.
Meskipun bilangan acak terlibat, apa yang keluar tidak sepenuhnya acak. Bisa dikatakan, persamaan yang menentukan osilasi quark menimbulkan suatu dansa yang ditentukan oleh nota acak. Gambaran tentang quark telah terbukti sangat bermanfaat bagi para peneliti yang mencari deskripsi numerik yang tepat dari quark di dalam proton.
Sebuah matriks adalah susunan segi empat dari bilangan. Sebuah matriks acak dapat dibandingkan dengan Sudoku yang terisi dengan bilangan acak. Matriks merupakan bagian dari persamaan yang mengatur gerakan partikel. Dalam sebuah matriks acak ada bilangan yang dimasukkan secara acak, sementara masih ada yang berupa simetri tertentu, misalnya, Anda dapat meminta bahwa bilangan di kiri bawah harus salinan dari bilangan di atas diagonal. Ini disebut matriks simetris. (Kredit: Kim Splittorff, Associate Professor, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen)
Ini membutuhkan beberapa superkomputer paling maju di dunia untuk membuat perhitungan tentang quark dalam proton. Pertanyaan sentral bahwa superkomputer mengolahnya adalah bagaimana mendekatkan ‘dansa’ quark tangan-kiri dan tangan-kanan. Perhitungan tersebut kemudian dapat menunjukkan mengapa quark tetap berada di dalam proton.
Satu masalah sampai sekarang adalah bahwa deskripsi ini harus digunakan dalam pendekatan numerik ke persamaan ‘nyata’ untuk quark. Sekarang tiga peneliti tersebut telah menunjukkan bagaimana memperbaiki ini sehingga quark dalam perhitungan numerik juga ‘berayun’ dengan tepat ke bilangan acak.
Pemahaman baru tentang data
“Dengan menggunakan hasil ini, kami sekarang dapat menggambarkan perhitungan numerik dari sekumpulan penelitian besar di CERN dan universitas terkemuka dengan sangat akurat,” kata Kim Splittorff.
“Apa yang baru dari pekerjaan kami tidak hanya persamaan yang tepat untuk quark, tapi juga pendekatan – yang harus digunakan oleh para peneliti yang bekerja secara numerik – yang bisa dijelaskan dengan menggunakan matriks acak. Hal ini sudah sangat mengejutkan, persamaan yang tepat menunjukkan bahwa quark berayun oleh bilangan-bilangan acak. Yang bahkan lebih menarik, pendekatan yang digunakan untuk persamaan ini memiliki gambaran analog yang lengkap. Memiliki ketersediaan deskripsi analistis yang akurat merupakan alat ampuh untuk memberikan pemahaman yang sama sekali baru terhadap data numerik. Secara khusus, kita sekarang bisa mengukur dengan sangat tepat seberapa dekat quark tangan-kanan dan tangan-kiri berdansa,” katanya tentang perspektif baru dalam dunia fisika partikel.
Sumber:
No comments:
Post a Comment