Catatan editor: Pada 8 Oktober 2013, Peter Higgs dan Francois Englert memenangkan Hadiah Nobel dalam Fisika untuk pekerjaan mereka di boson Higgs. Di bawah, kolumnis sains kami Brian Greene menjelaskan sains di balik penemuan ini.
Dari Kisah Ini
[×] TUTUP
Detektor ATLAS, salah satu dari dua percobaan untuk menemukan boson Higgs yang sulit ditangkap di smashups partikel di Large Hadron Collider CERN, memiliki berat sebanyak seratus 747 jet dan memiliki lebih dari 1.800 mil kabel. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Compact Muon Solenoid di Large Hadron Collider menangkap partikel saat beraksi. (Michael Hoch / CERN) 
Kembali ke papan gambar: Fisikawan Peter Higgs menuliskan persamaan terkenalnya yang menggambarkan sumber massa partikel. Butuh setengah abad untuk membuktikannya. (Stuart Wallace / Splash News / Newscom) 
Tim bekerja dengan detektor ATLAS, salah satu dari dua percobaan untuk menemukan boson Higgs yang sulit ditangkap dalam smashups partikel. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Sebelum pemasangan, sebagian dari detektor CMS tinggal di ruang pembersih di CERN. (Maximilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin / CERN) 
Magnet di detektor CMS menghasilkan medan magnet 100.000 kali lebih kuat dari Bumi. (Gobin / CERN) 
Tampilan dekat detektor CMS — satu dari dua percobaan untuk mendeteksi tanda tangan Higgs boson. (Gobin / CERN) 
Meskipun boson Higgs tampak terlalu singkat untuk dideteksi secara langsung, fisikawan di CMS dapat menyimpulkan keberadaannya dengan mempelajari hujan partikel yang tertinggal setelah tumbukan proton-proton. (T. McCauley, L. Taylor / CERN) 
Galeri foto
Konten terkait
- Seni dan Sains Bertabrakan dalam Penemuan Higgs Boson
Sebuah kisah terkenal dalam sejarah fisika menceritakan tentang Albert Einstein yang berusia 5 tahun, sakit di tempat tidur, menerima kompas mainan dari ayahnya. Bocah itu bingung dan terpesona oleh kekuatan tak kasat mata yang sedang bekerja, mengarahkan jarum kompas ke utara kapan pun posisi istirahatnya terganggu. Pengalaman itu, Einstein kemudian katakan, meyakinkan dia bahwa ada tatanan tersembunyi yang dalam terhadap alam, dan mendorongnya untuk menghabiskan hidupnya dengan berusaha mengungkapkannya.
Meskipun ceritanya sudah berusia lebih dari seabad, teka-teki yang dihadapi Einstein muda beresonansi dengan tema kunci dalam fisika kontemporer, yang penting untuk pencapaian eksperimental paling penting di bidang 50 tahun terakhir: penemuan, setahun yang lalu Juli ini, dari bos Higgs.
Biarkan saya jelaskan.
Ilmu pengetahuan pada umumnya, dan fisika pada khususnya, mencari pola. Regangkan pegas dua kali lebih jauh, dan rasakan dua kali perlawanan. Sebuah pola. Tingkatkan volume yang ditempati objek sambil menjaga massanya tetap, dan semakin tinggi benda itu mengapung di air. Sebuah pola. Dengan mengamati pola dengan hati-hati, peneliti mengungkap hukum fisika yang dapat diekspresikan dalam bahasa persamaan matematika.
Pola yang jelas juga terbukti dalam kasus kompas: Pindahkan dan jarum mengarah ke utara lagi. Saya bisa membayangkan seorang Einstein muda berpikir harus ada hukum umum yang menetapkan bahwa jarum logam yang ditangguhkan didorong ke utara. Tetapi tidak ada hukum semacam itu. Ketika ada medan magnet di suatu wilayah, benda logam tertentu mengalami gaya yang meluruskannya di sepanjang arah medan, apa pun arah itu terjadi. Dan medan magnet bumi terjadi ke titik utara.
Contohnya sederhana tetapi pelajarannya mendalam. Pola-pola alam terkadang mencerminkan dua ciri yang saling terkait: hukum-hukum fisika mendasar dan pengaruh lingkungan. Ini versi alami dari alam versus pengasuhan. Dalam hal kompas, memisahkan keduanya tidaklah sulit. Dengan memanipulasinya dengan magnet, Anda dengan mudah menyimpulkan bahwa orientasi magnet menentukan arah jarum. Tetapi mungkin ada situasi lain di mana pengaruh lingkungan begitu meresap, dan di luar kemampuan kita untuk memanipulasi, akan jauh lebih sulit untuk mengenali pengaruhnya.
Fisikawan menceritakan perumpamaan tentang ikan yang menyelidiki hukum fisika tetapi begitu terbiasa dengan dunia berair mereka, mereka gagal untuk mempertimbangkan pengaruhnya. Ikan berusaha keras untuk menjelaskan goyangan lembut tanaman serta penggerak mereka sendiri. Hukum yang mereka temukan pada akhirnya rumit dan berat. Kemudian, seekor ikan yang cemerlang memiliki terobosan. Mungkin kerumitannya mencerminkan hukum-hukum dasar sederhana yang bertindak sendiri dalam lingkungan yang kompleks — yang dipenuhi dengan cairan yang kental, tidak tertahankan, dan meresap: lautan. Pada awalnya, ikan yang berwawasan luas itu diabaikan, bahkan diejek. Tetapi perlahan-lahan, yang lain juga menyadari bahwa lingkungan mereka, meskipun tidak asing, memiliki dampak signifikan pada semua yang mereka amati.
Apakah perumpamaan itu lebih dekat ke rumah daripada yang kita kira? Mungkinkah ada fitur lingkungan lain yang halus namun meresap yang, sejauh ini, kita gagal melipat ke dalam pemahaman kita? Penemuan partikel Higgs oleh Large Hadron Collider di Jenewa telah meyakinkan fisikawan bahwa jawabannya adalah ya.
Hampir setengah abad yang lalu, Peter Higgs dan beberapa fisikawan lainnya berusaha memahami asal usul ciri fisik dasar: massa. Anda dapat menganggap massa sebagai bobot benda atau, sedikit lebih tepatnya, sebagai perlawanan yang ditawarkan untuk mengubah gerakannya. Dorong kereta barang (atau bulu) untuk meningkatkan kecepatannya, dan hambatan yang Anda rasakan mencerminkan massanya. Pada tingkat mikroskopis, massa kereta barang berasal dari molekul dan atom penyusunnya, yang sendiri dibangun dari partikel, elektron, dan quark yang mendasar. Tetapi dari mana massa partikel-partikel fundamental ini dan lainnya berasal?
Ketika fisikawan pada 1960-an memodelkan perilaku partikel-partikel ini menggunakan persamaan yang berakar pada fisika kuantum, mereka menemukan sebuah teka-teki. Jika mereka membayangkan bahwa partikel-partikel itu semuanya tanpa massa, maka setiap istilah dalam persamaan diklik ke dalam pola simetris sempurna, seperti ujung kepingan salju yang sempurna. Dan simetri ini bukan hanya elegan secara matematis. Ini menjelaskan pola yang jelas dalam data eksperimen. Tetapi — dan inilah teka-teki — fisikawan tahu bahwa partikel-partikel itu memiliki massa, dan ketika mereka memodifikasi persamaan untuk memperhitungkan fakta ini, harmoni matematisnya rusak. Persamaan menjadi rumit dan sulit dan, lebih buruk lagi, tidak konsisten.
Melakukan apa? Inilah ide yang diajukan oleh Higgs. Jangan mendorong massa partikel ke tenggorokan persamaan indah. Alih-alih, pertahankan persamaannya tetap dan simetris, tetapi anggap persamaan itu beroperasi dalam lingkungan yang aneh. Bayangkan bahwa semua ruang diisi secara seragam dengan zat yang tidak terlihat — sekarang disebut medan Higgs — yang memberikan gaya hambat pada partikel ketika mereka melewatinya. Dorong partikel fundamental dalam upaya meningkatkan kecepatannya dan, menurut Higgs, Anda akan merasakan gaya seret ini sebagai hambatan. Dapat dibenarkan, Anda akan menafsirkan perlawanan sebagai massa partikel. Untuk pijakan mental, pikirkan bola ping-pong yang terendam air. Saat Anda mendorong bola ping-pong, itu akan terasa jauh lebih masif daripada di luar air. Interaksinya dengan lingkungan berair memiliki efek memberikannya massa. Begitu juga dengan partikel yang terendam di bidang Higgs.
Pada tahun 1964, Higgs menyerahkan makalah ke jurnal fisika terkemuka di mana ia merumuskan ide ini secara matematis. Makalah itu ditolak. Bukan karena mengandung kesalahan teknis, tetapi karena premis dari sesuatu yang tak terlihat menembus ruang, berinteraksi dengan partikel untuk memberikan massa mereka, yah, itu semua hanya tampak seperti tumpukan spekulasi yang berlebihan. Para editor jurnal menganggapnya "tidak ada relevansi yang jelas dengan fisika."
Tapi Higgs bertahan (dan makalah yang direvisi muncul kemudian tahun itu di jurnal lain), dan fisikawan yang meluangkan waktu untuk mempelajari proposal secara bertahap menyadari bahwa idenya adalah jenius, yang memungkinkan mereka untuk memiliki kue mereka dan memakannya juga . Dalam skema Higgs, persamaan fundamental dapat mempertahankan bentuk aslinya karena pekerjaan kotor menyediakan massa partikel diturunkan ke lingkungan.
Walaupun saya tidak ada di sana untuk menyaksikan penolakan awal proposal Higgs pada tahun 1964 (well, saya ada di sana, tetapi hanya nyaris), saya dapat membuktikan bahwa pada pertengahan 1980-an, penilaian telah berubah. Komunitas fisika, sebagian besar, sepenuhnya menyetujui gagasan bahwa ada ruang Higgs yang menembus ruang. Bahkan, dalam program pascasarjana saya mengambil yang mencakup apa yang dikenal sebagai Model Standar Fisika Partikel (fisika kuantum persamaan telah berkumpul untuk menggambarkan partikel-partikel materi dan kekuatan dominan dimana mereka saling mempengaruhi), profesor mempresentasikan Higgs bidang dengan kepastian bahwa untuk waktu yang lama saya tidak tahu itu belum ditetapkan secara eksperimental. Kadang-kadang, itu terjadi dalam fisika. Persamaan matematika kadang-kadang dapat menceritakan kisah yang meyakinkan, mereka tampaknya dapat memancarkan realitas begitu kuat, sehingga mereka menjadi berurat berakar dalam bahasa fisikawan yang bekerja, bahkan sebelum ada data untuk mengkonfirmasi mereka.
Tetapi hanya dengan data yang bisa dipalsukan tautan ke realitas. Bagaimana kami bisa menguji bidang Higgs? Di sinilah Large Hadron Collider (LHC) masuk. Melilit ratusan meter di bawah Jenewa, Swiss, melintasi perbatasan Prancis dan kembali lagi, LHC adalah terowongan melingkar sepanjang 17 mil yang berfungsi sebagai jalur pacuan kuda untuk menghancurkan partikel-partikel materi. LHC dikelilingi oleh sekitar 9.000 magnet superkonduktor, dan merupakan rumah bagi gerombolan arus proton, bersepeda di sekitar terowongan di kedua arah, yang dipercepat oleh magnet hingga hanya sedikit dari kecepatan cahaya. Pada kecepatan seperti itu, proton mengelilingi terowongan sekitar 11.000 kali setiap detik, dan ketika diarahkan oleh magnet, terlibat dalam jutaan tabrakan dalam sekejap mata. Tabrakan, pada gilirannya, menghasilkan semprotan partikel seperti kembang api, yang ditangkap dan direkam oleh detektor raksasa.
Salah satu motivasi utama untuk LHC, yang menelan biaya $ 10 miliar dan melibatkan ribuan ilmuwan dari puluhan negara, adalah untuk mencari bukti untuk bidang Higgs. Matematika menunjukkan bahwa jika idenya benar, jika kita benar-benar tenggelam dalam lautan ladang Higgs, maka tabrakan partikel yang keras harus bisa menyentak medan, sama seperti dua kapal selam yang bertabrakan akan menggoncangkan air di sekitar mereka. Dan sering sekali, goncangan seharusnya tepat untuk mengibaskan setitik bidang — tetesan kecil dari laut Higgs — yang akan muncul sebagai partikel Higgs yang sudah lama dicari.
Perhitungan juga menunjukkan bahwa partikel Higgs akan menjadi tidak stabil, hancur menjadi partikel lain dalam fraksi sangat kecil dari satu detik. Dalam pusaran tabrakan partikel dan kepulan awan serpihan partikel, para ilmuwan yang dipersenjatai dengan komputer yang kuat akan mencari sidik jari Higgs - sebuah pola produk peluruhan yang ditentukan oleh persamaan.
Pada dini hari tanggal 4 Juli 2012, saya berkumpul dengan sekitar 20 pendukung lain di ruang konferensi di Aspen Center for Physics untuk melihat siaran langsung konferensi pers di fasilitas Large Hadron Collider di Jenewa. Sekitar enam bulan sebelumnya, dua tim peneliti independen yang bertugas mengumpulkan dan menganalisis data LHC telah mengumumkan indikasi kuat bahwa partikel Higgs telah ditemukan. Rumor yang kini beredar di sekitar komunitas fisika adalah bahwa tim akhirnya memiliki cukup bukti untuk mempertaruhkan klaim definitif. Ditambah dengan kenyataan bahwa Peter Higgs sendiri telah diminta untuk melakukan perjalanan ke Jenewa, ada banyak motivasi untuk tetap melewati jam 3 pagi untuk mendengar pengumuman secara langsung.
Dan ketika dunia mulai belajar dengan cepat, bukti bahwa partikel Higgs telah terdeteksi cukup kuat untuk melewati ambang penemuan. Dengan partikel Higgs yang sekarang secara resmi ditemukan, hadirin di Jenewa memberikan tepuk tangan meriah, seperti yang dilakukan kelompok kecil kami di Aspen, dan tak diragukan lagi, puluhan pertemuan serupa di seluruh dunia. Peter Higgs menghapus air mata.
Dengan satu tahun pengamatan, dan data tambahan yang hanya berfungsi untuk membuat kasus untuk Higgs lebih kuat, inilah cara saya akan merangkum implikasi paling penting dari penemuan ini.
Pertama, kita sudah lama tahu bahwa ada penghuni tak terlihat di luar angkasa. Gelombang radio dan televisi. Medan magnet Bumi. Medan gravitasi. Tapi tidak ada yang permanen. Tidak ada yang tidak berubah. Tidak ada yang seragam di seluruh alam semesta. Dalam hal ini, bidang Higgs pada dasarnya berbeda. Kami percaya nilainya sama di Bumi seperti di dekat Saturnus, di Nebula Orion, di seluruh Galaksi Andromeda dan di tempat lain. Sejauh yang bisa kita katakan, bidang Higgs tak terhapuskan tercetak pada kain spasial.
Kedua, partikel Higgs mewakili bentuk materi baru, yang telah diantisipasi secara luas selama beberapa dekade tetapi belum pernah terlihat. Pada awal abad ke-20, fisikawan menyadari bahwa partikel, selain massa dan muatan listriknya, memiliki ciri penentu ketiga: putarannya. Tetapi tidak seperti top anak, putaran partikel adalah fitur intrinsik yang tidak berubah; itu tidak mempercepat atau memperlambat seiring waktu. Elektron dan quark semuanya memiliki nilai putaran yang sama, sedangkan spin foton — partikel cahaya — adalah dua kali lipat dari elektron dan quark. Persamaan yang menggambarkan partikel Higgs menunjukkan bahwa — tidak seperti spesies partikel fundamental lainnya — ia tidak boleh berputar sama sekali. Data dari Large Hadron Collider kini telah mengkonfirmasi ini.
Membangun keberadaan bentuk materi baru adalah pencapaian yang langka, tetapi hasilnya memiliki resonansi di bidang lain: kosmologi, studi ilmiah tentang bagaimana seluruh alam semesta dimulai dan berkembang menjadi bentuk yang sekarang kita saksikan. Selama bertahun-tahun, para kosmolog yang mempelajari teori Big Bang terhalang. Mereka telah menyatukan deskripsi yang kuat tentang bagaimana alam semesta berevolusi dari sepersekian detik setelah awal, tetapi mereka tidak dapat memberikan wawasan apa pun yang mendorong ruang untuk mulai berkembang di tempat pertama. Kekuatan apa yang bisa memberikan dorongan ke luar yang begitu kuat? Untuk semua keberhasilannya, teori Big Bang mengabaikan bang.
Pada 1980-an, sebuah solusi yang mungkin ditemukan, solusi yang membunyikan bel Higgsian yang keras. Jika suatu wilayah ruang secara seragam diliputi oleh bidang yang konstituen partikulatnya tidak berputar, maka teori gravitasi Einstein (teori relativitas umum) mengungkapkan bahwa gaya tolak yang kuat dapat dihasilkan — ledakan, dan besar pada saat itu. Perhitungan menunjukkan bahwa sulit untuk mewujudkan ide ini dengan bidang Higgs itu sendiri; tugas ganda menyediakan massa partikel dan memicu ledakan membuktikan beban yang substansial. Tetapi para ilmuwan yang berwawasan luas menyadari bahwa dengan menempatkan medan “mirip Higgs” kedua (memiliki putaran lenyap yang sama, tetapi massa dan interaksi yang berbeda), mereka dapat membagi beban — satu bidang untuk massa dan yang lainnya untuk dorongan tolak — dan menawarkan penjelasan yang meyakinkan tentang ledakan itu. Karena itu, selama lebih dari 30 tahun, fisikawan teoretis telah giat mengeksplorasi teori-teori kosmologis di mana bidang seperti Higgs memainkan peran penting. Ribuan artikel jurnal telah ditulis untuk mengembangkan ide-ide ini, dan miliaran dolar telah dihabiskan untuk pengamatan luar angkasa mencari - dan menemukan - bukti tidak langsung bahwa teori-teori ini secara akurat menggambarkan alam semesta kita. Konfirmasi LHC bahwa setidaknya satu bidang seperti itu benar-benar ada sehingga menempatkan generasi berteori kosmologis pada landasan yang jauh lebih kuat.
Akhirnya, dan mungkin yang paling penting, penemuan partikel Higgs adalah kemenangan menakjubkan kekuatan matematika untuk mengungkap cara kerja alam semesta. Ini adalah kisah yang telah direkapitulasi dalam fisika berkali-kali, tetapi setiap contoh baru mengasyikkan sama. Kemungkinan lubang hitam muncul dari analisis matematika fisikawan Jerman Karl Schwarzchild; pengamatan selanjutnya membuktikan bahwa lubang hitam itu nyata. Kosmologi Big Bang muncul dari analisis matematis Alexander Friedmann dan juga Georges Lemaître; pengamatan selanjutnya membuktikan wawasan ini juga benar. Konsep anti-materi pertama kali muncul dari analisis matematika fisikawan kuantum Paul Dirac; Eksperimen selanjutnya menunjukkan bahwa gagasan ini juga benar. Contoh-contoh ini memberikan kesan tentang apa yang dimaksud fisikawan matematika hebat Eugene Wigner ketika ia berbicara tentang "efektivitas matematika yang tidak masuk akal dalam menggambarkan alam semesta fisik." Medan Higgs muncul dari studi matematika yang mencari mekanisme untuk memberikan partikel dengan massa. Dan sekali lagi matematika telah muncul dengan warna-warna terbang.
Sebagai seorang ahli fisika teoretis, salah satu dari banyak orang yang mendedikasikan diri untuk menemukan apa yang disebut Einstein sebagai "teori terpadu" - hubungan yang sangat tersembunyi antara semua kekuatan alam dan materi yang diimpikan Einstein, lama setelah dikaitkan dengan fisika oleh cara kerja misterius kompas. —Penemuan Higgs sangat memuaskan. Pekerjaan kami didorong oleh matematika, dan sejauh ini belum melakukan kontak dengan data eksperimental. Kami dengan cemas menunggu tahun 2015 ketika LHC yang ditingkatkan dan lebih kuat akan diaktifkan kembali, karena ada peluang berjuang bahwa data baru akan memberikan bukti bahwa teori kami sedang menuju ke arah yang benar. Tonggak utama akan mencakup penemuan kelas partikel yang sampai sekarang tak terlihat (disebut partikel "supersimetri") yang diprediksi oleh persamaan kita, atau petunjuk kemungkinan liar dimensi ruang melebihi tiga yang kita semua alami. Lebih mengasyikkan lagi adalah penemuan sesuatu yang sama sekali tidak terduga, mengirim kita semua bergegas kembali ke papan tulis kita.
Banyak dari kita telah mencoba skala gunung matematika ini selama 30 tahun, beberapa bahkan lebih lama. Kadang-kadang kita merasa bahwa teori terpadu itu berada di luar ujung jari kita, sementara di waktu lain kita benar-benar meraba-raba dalam kegelapan. Merupakan dorongan besar bagi generasi kita untuk menyaksikan konfirmasi Higgs, untuk menyaksikan wawasan matematika berusia empat dekade yang direalisasikan sebagai muncul dan berderak di detektor LHC. Itu mengingatkan kita untuk mengingat kata-kata peraih Nobel Steven Weinberg ke dalam hati: “Kesalahan kita bukanlah kita menganggap teori kita terlalu serius, tetapi kita tidak menganggapnya cukup serius. Selalu sulit untuk menyadari bahwa angka-angka dan persamaan yang kita mainkan di meja kita ini ada hubungannya dengan dunia nyata. ”Terkadang, angka-angka dan persamaan itu memiliki kemampuan yang aneh dan nyaris menakutkan untuk menerangi sudut-sudut realitas yang sebenarnya gelap. Ketika mereka melakukannya, kita semakin dekat dengan meraih tempat kita di kosmos.
