Oleh : Mohd Faudzi Umar
Editor Fizikkini
Pensyarah
Universiti Pendidikan Sultan Idris
Tidak lama lagi kita bakal memasuki dekad yang baru iaitu 2020an, dan bakal meninggalkan 2010an iaitu era yang tidak kurang hebatnya dalam bidang fizik khususnya. Baru-baru ini kita dikejutkan dengan penemuan kewujudan daya interaksi kelima [1], bidang astronomi pula tentang eksoplanet dan tidak kurang hebatnya juga dalam bidang kosmologi, penemuan bahawa alam semesta adalah sfera. Dalam makalah ini, kita cuba melampirkan beberapa penemuan fizik dalam sedekad ini (bermula tahun 2010) yang akan memberi impak kepada hala tuju fizik. Perbincangan bermula dengan skala sangat kecil (zarah) sehinggalah skala besar (kosmologi).
Melengkapi Model Piawai
Pada tahun 2012, kumpulan penyelidik ATLAS dan CMS telah mengesahkan kewujudan zarah Higgs dengan menggunakan Pelanggar Hadron Besar (Large Hadron Collider, LHC) di CERN. Penemuan agung ini membawa kepada penganugerahan Hadiah Nobel Fizik kepada Peter Higgs dan François Englert pada tahun 2013. Bahkan, turut melengkapi zarah asas dalam Model Piawai fizik zarah. Mengapakah begitu penting penemuan ini?
Model Piawai ialah model pengkelasan zarah keunsuran yang terdiri daripada jirim, iaitu zarah berspin setengah integer (fermion) dan zarah tolok, zarah berspin integer (boson). Zarah fermion dikelaskan kepada tiga keluarga kuark dan tiga keluarga lepton, dimana masing-masing mempunyai pasangan anti-jirimnya. Zarah tolok pula atau boson adalah zarah pembawa daya interaksi seperti dalam Rajah 1, di mana zarah Higgs turut diramalkan dalam kumpulan ini. Masing-masing, zarah tersebut telah pun ditemui secara ujikaji seperti dalam Jadual 1, tetapi tidak bagi zarah Higgs. Zarah ini bersempena nama ahli fizik teori Peter Higgs, yang mengusulkan kewujudan medan atau zarah dalam mekanisme pecahan simetri ke atas medan setempat [2]. Mekanisme ini (Mekanisme Higgs) diterokai selanjutnya oleh beberapa ahli fizik teori yang lain seperti François Englert, Robert Brout, Carl R. Hagen, Tom Kibble dan Gerald Guralnik.
Teori tentang zarah Higgs dilihat terbina begitu pesat sekali. Walaubagaimanapun, zarah ini tidak ditemui secara ujikaji sehinggalah pada tahun 2012, dimana Pelanggar Hadron Besar iaitu pemecut zarah berkuasa tinggi pernah dibina oleh manusia telah menjalankan ujikaji pelanggaran proton-proton. Analisis data pelanggaran zarah menunjukkan sifat bak zarah Higgs iaitu, jisimnya sekitar 125-126 GeV, zarah skalar berspin-0 dan pereputan zarah Higgs ditemui iaitu mereput kepada zarah tau dan sinaran gama. Pengumuman penemuan zarah ini mendapatkan liputan media yang agak meluas [3].
Penemuan Gelombang Kegravitian
Pada tahun 1915, Albert Einstein telah menerbitkan satu makalah yang kini kita kenali sebagai Teori Kerelatifan Am, ia merupakan teori yang berkait rapat dengan graviti secara relatif. Kita sedia maklum bahawa pecutan zarah bercas akan menghasilkan gelombang elektromagnet. Oleh itu, Henri Poincare pada tahun 1905 menggunakan analogi tersebut, di mana gelombang kegravitian terhasil daripada pecutan jisim dalam medan graviti yang relatif. Gelombang kegravitian diterbitkan dengan kaedah penghampiran, iaitu mengenakan usikan ke atas kelengkungan ruangmasa. Seperti sinaran elektromagnet, gelombang kegravitian juga membawa tenaga dalam bentuk sinaran dan dikenali sebagai sinaran kegravitian.
Kajian mengesan gelombang kegravitian pun mulai rancak dijalankan bahkan menjadi satu bidang dalam pencerapan astronomi. Sehinggalah pada tahun 1974, Russell A. Hulse dan Joseph H. Taylor, Jr. menemui bukti secara tidak langsung yang pertama ke atas pulsar binari PSR B1913+16 [4]. Penemuan ini membawa kepada penganugerahan Hadiah Nobel Fizik pada tahun 1993. Pada tahun 2015, kumpulan penyelidik LIGO dan Virgo telah menemui bukti langsung kewujudan gelombang kegravitian menggunakan kaedah laser interferometri [5]. Lebih membanggakan apabila salah seorang rakyat Malaysia iaitu Hafizah Noor Isa juga terlibat dalam penemuan hebat ini.
Dua jenis isyarat yang dikesan dalam penemuan ini iaitu pertama isyarat yang sepadan dengan inspiral dan penggabungan lohong hitam dalam sistem binari; ia paling kerap dikesan. Manakala isyarat yang kedua pula adalah sepadan dengan penggabungan dua bintang neutron. Isyarat ini dinamakan GW150914 bersempena tarikh penemuannya, pada 14 September 2015. Kejayaan penemuan ini telah tersenarai untuk penerima Hadiah Nobel Fizik bagi tahun 2017 iaitu kepada Rainer Weiss, Kip Thorne dan Barry Barish, kerana mereka memainkan peranan penting dalam pengesanan secara langsung ini.
Imej Lohong Hitam Pertama Kali dalam Sejarah
Imej lohong hitam pertama kali dalam sejarah ditangkap oleh kumpulan penyelidik antarabangsa Event Horizon Telescope (EHT). Penemuan ini diumum oleh EHT pada 10 April 2019, mendapat liputan media yang agak meluas dan hasil dapatan saintifik telah menerbitkan enam siri makalah dalam The Astrophysical Journal Letters. EHT merupakan susunan teleskop terdiri daripada jaringan sejagat teleskop radio, sehinggakan resolusi yang terhasil setara dengan satu piring teleskop berdiameter 12,000 km. Imej tersebut ditangkap dengan menggunakan teknik interferometri garis pangkal amat panjang (VLBI) dan imej terbina dengan algoritma berkomputer.
Ringkasnya, lohong hitam adalah objek berketumpatan tinggi dengan kekuatan graviti yang kuat sehinggakan tiada cahaya yang boleh terlepas daripadanya. Imej yang ditangkap merupakan lohong hitam yang supermasif, ia berada ditengah-tengah galaksi yang sangat jauh dari bumi kira-kira 55 juta tahun cahaya iaitu galaksi Messier-87 (M87). Imej ini juga menjelaskan beberapa perkara iaitu tentang pembentukan dan struktur lohong hitam, seperti cakera akresi dan jet plasma yang berpunca dari pusatnya. Secara tidak langsung, ia memberikan penjelasan yang baik tentang pembentukan cakera akresi di mana kita sedia maklum ia tidak dapat dicerap atau diuji secara langsung. Begitu juga berkenaan dengan mekanisme pemancaran jet zarah besar-besaran yang bergerak pada jarak menghampiri cahaya, di mana hal ini berlaku dalam lohong hitam bersaiz supermasif.
Bukti Kosmologi Menunjukkan Alam Semesta adalah Sfera
Jika kita mendongak ke langit malam, alam semesta tampak terisi dengan objek samawi yang tidak terbilang banyaknya – bintang, planet, galaksi dan nebula. Pernah tidak kita terfikir dan bertanya“Apakah bentuk alam semesta kita?” Rata, sfera atau meleding? Itulah yang menjadi perdebatan dan krisis dalam permasalahan fizik kosmologi sehingga ke hari ini. Awal abad ke-19, Albert Einstein dengan Teori Kerelatifan Am menyatakan bahawa ruang boleh dibengkok, diregang dan dipulas.
Teleskop Planck mencerap sinaran lampau iaitu latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB), analisis data teleskop tersebut menunjukkan bahawa alam semesta adalah tertutup. Penemuan ini agak kontroversi dalam fizik kosmologi, makalah ini diterbitkan dalam jurnal Natural Astronomy, penulisnya terdiri daripada Alessandro Melchiorri dari Universiti Sapienza Rome, Eleonara Di Valentino dari Universiti Manchester dan Joseph Silk dari Universiti Oxford [6]. Walau bagaimanapun makalah ini merupakan hasil analisis data Teleskop Planck pada tahun 2018, di mana Melchiorri dan Silk menterjemahkan analisis ini sebagai bukti bahawa alam semesta adalah tertutup.
Mereka menegaskan bahawa alam semesta berkemungkinan melengkung dan tertutup, atau kata mudahnya seperti sfera, berbanding ramalan daripada kefahaman lazim teori kosmologi bahawa alam semesta rata seperti sehelai kertas. Bahkan, analisis semula data CMB ini menyimpulkan bahawa alam semesta adalah tertutup dengan ketepatan 99%, meskipun terdapat data lain juga menunjukkan alam semesta adalah rata. Teleskop Planck adalah balai cerap angkasa yang dikelola oleh Agensi Angkasa Eropah (European Space Agency, ESA). Teleskop ini bersensitiviti tinggi dan beresolusi sudut yang kecil, bertujuan untuk memeta sinaran dari angkasa dengan julat frekuensi yang kecil seperti gelombang mikro dan infra-merah.
Rujukan
[1] Ahli Fizik Menemui Zarah Baharu Bagi Membuktikan Kewujudan Daya Interaksi Kelima. Fizik Kini. 2019 https://fizikkini.com/ahli-fizik-menemui-zarah-baharu-bagi-membuktikan-kewujudan-daya-interaksi-kelima/[2] Higgs, P. W. (1964). “Broken symmetries, massless particles and gauge fields”. Physics Letters. 12 (2): 132–201.
[3] Penemuan Zarah Higgs-Boson. Majalan Sains. 2012. https://www.majalahsains.com/penemuan-zarah-higgs-boson/
[4] Nobel Prize Award (1993) Press Release The Royal Swedish Academy of Sciences.
[5] Abbott BP, et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger”. Physical Review Letters. 116 (6): 061102.
[6] Di Valentino, E., Melchiorri, A., & Silk, J. (2019). Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology. Nature Astronomy, 1-8.
Daftar Istilah
interferometri garis pangkal amat panjang – Very Long Baseline Interferometry
Pelanggar Hadron Besar – Large Hadron Collider
anti-jirim – antimatter
pecahan simetri – symmetry breaking
medan setempat – local field
zarah skalar – scalar particle
gelombang kegravitian -gravitational wave
kaedah penghampiran – approximation method
sinaran kegravitian – gravitational ray
lohong hitam – black hole
usikan – perturbation
latar belakang gelombang mikro kosmik – cosmic microwave background
