Materi yang membentuk manusia, planet, dan hampir semua benda di sekitar kita tersusun dari proton, neutron, dan elektron. Fisikawan menggolongkannya sebagai generasi pertama materi. Ada dua generasi tambahan yang tersusun dari partikel lebih berat, salah satunya muon, kerabat elektron yang lebih berat. Muon memiliki massa sekitar 207 kali lebih besar daripada elektron, tetapi muon bermuatan negatif, sementara elektron bermuatan negatif. Ketika antimuon bermuatan positif (antipartikel dari muon) bergabung dengan elektron bermuatan negatif, keduanya membentuk atom netral yang disebut muonium.
Model Standar fisika partikel menjelaskan keberadaan generasi partikel tersebut, tetapi tidak menjelaskan mengapa alam memiliki lebih dari satu generasi. Pertanyaan itu memunculkan teka-teki lanjutan: apakah partikel yang lebih berat menanggapi gravitasi dengan cara yang sama seperti partikel generasi pertama? Untuk materi biasa, benda pada posisi sama dalam medan gravitasi jatuh dengan laju yang sama. Prinsip kesetaraan itu menjadi inti teori gravitasi Einstein. Sejauh ini pengujian baru dilakukan dengan materi biasa atau antimateri generasi pertama, sehingga pengukuran muonium akan menjadi uji pertama yang melibatkan partikel generasi kedua.
Muonium dinilai cocok karena bersifat netral, sebab gravitasi sangat lemah dibandingkan elektromagnetisme. Jika percobaan dilakukan dengan partikel bermuatan, medan elektromagnetik liar dapat menenggelamkan efek gravitasi yang hendak diukur. Muonium juga memiliki masa hidup yang sangat singkat, hanya sekitar 2,2 mikrosekon sebelum meluruh. Metode lama menghasilkan atom muonium dengan kecepatan serta arah yang beragam sehingga kurang cocok untuk pengukuran gravitasi yang sangat presisi.
Tim peneliti dari ETH Zurich dan PSI telah berhasil menghasilkan muonium dalam keadaan "dingin", yang berarti atom-atom tersebut bergerak dengan kecepatan yang hampir sama dan hampir sejajar satu sama lain. Hal ini memungkinkan untuk melakukan pengukuran gravitasi yang sangat presisi. "Dalam kasus ini, 'dingin' berarti bahwa atom-atom tersebut bergerak dengan kecepatan yang hampir sama dan hampir sejajar satu sama lain," jelas Jesse Zhang, penulis utama studi. "Kita menggunakan helium superfluida yang telah didinginkan hampir mendekati nol mutlak pada suhu minus 273 derajat Celsius." Helium superfluida adalah fluida kuantum di mana atom-atom helium kehilangan identitasnya dan tidak toleran terhadap impuritas.
Proses pembuatan muonium dimulai dengan menembakkan antimuon dari akselerator partikel PSI ke dalam lapisan tipis helium superfluida. Di dalam helium, partikel-partikel tersebut memperlambat. Ketika antimuon bertemu dengan elektron bebas, kedua partikel tersebut membentuk atom muonium dengan potensial kimia positif. Potensial kimia tersebut secara efektif mendorong atom muonium baru keluar dari cairan. Ketika atom tersebut mencapai permukaan, potensial kimia tersebut diubah menjadi energi kinetik, memberikan atom muonium dorongan yang mengirimnya ke atas secara vertikal. "Kita menggunakan potensial kimia sebagai meriam atomik," jelas Zhang.
Atom-atom muonium harus melewati cairan kuantum tanpa tabrakan dan dengan kecepatan yang dapat diprediksi. Masa hidupnya sangat singkat sehingga penundaan yang signifikan akan mencegah atom tersebut mencapai permukaan sebelum hancur. "Untuk eksperimen kita, kita juga bergantung pada akselerator partikel PSI, yang menghasilkan muon beam yang paling intens dan terus menerus di dunia," jelas Soter. "Terima kasih atas sumber berkualitas tinggi ini, banyak atom muonium dapat diproduksi."
Tim peneliti sekarang sedang membangun instrumen yang dikenal sebagai interferometer untuk mengukur bagaimana gravitasi Bumi mempengaruhi berkas muonium. Perangkat ini memanfaatkan sifat gelombang atom untuk menghasilkan pola interferensi. Tarikan gravitasi Bumi harus menyebabkan pergeseran yang sangat kecil dalam pola tersebut. Mengukur pergeseran tersebut akan memungkinkan peneliti untuk menentukan bagaimana gravitasi beraksi pada muon. "Kita berharap dapat menguji metode untuk pertama kalinya dengan berkas atom ini tahun ini, dan jika semuanya berjalan dengan baik, eksperimen gravitasi sebenarnya harus dilakukan dalam waktu dua atau tiga tahun ke depan," jelas Soter.
Berkas muonium baru ini juga dapat memungkinkan eksperimen spektroskopi laser yang lebih presisi dengan muonium. Pengukuran tersebut dapat meningkatkan pemahaman kita tentang massa muon dan konstanta fisik fundamental lainnya, tujuan jangka panjang dari kelompok penelitian tersebut. Jika muonium merespons gravitasi berbeda dari materi biasa, implikasinya dapat mendalam. "Itu memang mengejutkan, dan, selain teori lain, itu juga bisa menunjukkan keberadaan gaya kelima," jelas Soter. Fisika modern mengenali empat interaksi fundamental: gravitasi, elektromagnetisme, interaksi kuat, dan interaksi lemah. Ilmuwan telah secara berulang kali mengusulkan kemungkinan adanya gaya kelima, tetapi gaya seperti itu belum pernah dikonfirmasi. Menemukan satu bukanlah tujuan utama eksperimen Soter. Tujuan segera adalah lebih fundamental: menentukan apakah kesetaraan antara massa gravitasi dan massa inersia juga berlaku untuk generasi partikel yang berbeda. "Saya sangat terbuka," katanya. "Saya hanya ingin mengukur, untuk pertama kalinya, apakah kesetaraan antara massa gravitasi dan massa inersia juga berlaku untuk generasi partikel kedua — ini sendiri sudah cukup menarik." Penelitian ini didukung oleh National Centre of Competence in Research Muoniverse.
Sumber: ScienceDaily, September 2026.
Tidak ada komentar
Posting Komentar