Fisikawan Menemukan 'Angka Ajaib' yang Membentuk Alam Semesta

[lordi]

Sebagai konstanta fundamental, kecepatan cahaya, c , adalah yang paling terkenal, namun nilai numerik c tidak mengatakan apa-apa tentang alam; akan berbeda tergantung pada apakah itu diukur dalam meter per detik atau mil per jam. Sebaliknya, konstanta struktur-halus atau Sommerfeld tidak memiliki dimensi atau satuan. Ini adalah bilangan murni yang membentuk alam semesta ke tingkat yang menakjubkan - "bilangan ajaib yang datang kepada kita tanpa pemahaman," seperti yang dijelaskan oleh Richard Feynman. Paul Dirac menganggap asal mula angka ini adalah "masalah fisika paling mendasar yang belum terpecahkan".

Secara numerik, konstanta Sommerfeld, dilambangkan dengan huruf Yunani α (alfa), mendekati rasio 1/137. Ini biasanya muncul dalam rumus yang mengatur cahaya dan materi. "Ini seperti dalam arsitektur, ada rasio emas," kata Eric Cornell , fisikawan pemenang Hadiah Nobel di Universitas Colorado, Boulder dan National Institute of Standards and Technology. "Dalam fisika materi berenergi rendah - atom, molekul, kimia, biologi - selalu ada rasio" dari hal-hal yang lebih besar ke yang lebih kecil, katanya. Rasio tersebut cenderung merupakan pangkat dari konstanta struktur halus.
Konstanta ada di mana-mana karena mencirikan kekuatan gaya elektromagnetik yang memengaruhi partikel bermuatan seperti elektron dan proton. "Dalam dunia kita sehari-hari, semuanya adalah gravitasi atau elektromagnetisme. Dan itulah mengapa alfa sangat penting, "kata Holger Müller , fisikawan di University of California, Berkeley. Karena 1/137 kecil, elektromagnetisme lemah; Akibatnya, partikel bermuatan membentuk atom yang elektronnya mengorbit di kejauhan dan dengan mudah melompat menjauh, memungkinkan ikatan kimia. Di sisi lain, konstanta ini juga cukup besar: Fisikawan berpendapat bahwa jika ukurannya 1/138, bintang tidak akan mampu menciptakan karbon, dan kehidupan seperti yang kita ketahui tidak akan ada.



Fisikawan hampir menyerah pada obsesi berusia seabad tentang dari mana nilai khusus alfa berasal; mereka sekarang mengakui bahwa konstanta fundamental bisa jadi acak, ditentukan dalam gulungan dadu kosmik selama kelahiran alam semesta. Tapi tujuan baru telah muncul.

Fisikawan ingin mengukur konstanta Sommerfeld setepat mungkin. Karena itu ada di mana-mana, mengukurnya dengan tepat memungkinkan mereka untuk menguji teori mereka tentang keterkaitan antara partikel elementer - persamaan yang dikenal sebagai Model Standar fisika partikel . Setiap perbedaan antara pengukuran ultra-presisi dari besaran terkait dapat menunjukkan partikel baru atau efek yang tidak diperhitungkan oleh persamaan standar. Cornell menyebut pengukuran presisi semacam ini sebagai cara ketiga untuk secara eksperimental menemukan cara kerja dasar alam semesta, bersama dengan penumbuk partikel dan teleskop.

Dalam sebuah makalah baru di jurnal Nature , tim yang terdiri dari empat fisikawan yang dipimpin oleh Saïda Guellati-Khélifa di Laboratorium Kastler Brossel di Paris melaporkan pengukuran yang paling tepat untuk konstanta Sommerfeld. Tim mengukur nilai konstanta ke tempat desimal ke-11, melaporkan bahwa alpha 1/137.035999206 dengan margin error 0.000000011.

Dengan margin kesalahan hanya 81 bagian per triliun, pengukuran baru hampir tiga kali lebih akurat daripada pengukuran terbaik sebelumnya pada tahun 2018 oleh grup Müller di Berkeley. (Guellati-Khélifa membuat pengukuran paling tepat sebelum Müller pada tahun 2011.) Müller berkata tentang pengukuran alfa yang baru dari saingannya, "Faktor tiga adalah masalah besar. Jangan malu menyebut ini sebagai pencapaian besar. "

Guellati-Khélifa telah menyempurnakan eksperimennya selama 22 tahun terakhir. Dia mengukur konstanta Sommerfeld dengan mengukur seberapa kuat atom rubidium recoil ketika menyerap foton. (Müller melakukan hal yang sama dengan atom cesium.) Kecepatan recoil menunjukkan seberapa berat atom rubidium - faktor tersulit untuk diukur dalam rumus sederhana untuk konstanta ini. "Ini selalu merupakan pengukuran paling tidak akurat yang menjadi penghambat, jadi setiap peningkatan pengukuran ini mengarah pada peningkatan dalam konstanta struktur halus," jelas Müller.

Para peneliti Paris mulai dengan mendinginkan atom rubidium hampir sampai nol mutlak, kemudian menjatuhkannya di ruang vakum. Saat awan atom jatuh, para peneliti menggunakan pulsa laser untuk menempatkan atom dalam superposisi kuantum di dua keadaan - dikeluarkan oleh foton dan tidak. Dua versi yang mungkin dari setiap atom bergerak pada lintasan terpisah sampai lebih banyak pulsa laser setengah superposisi menyatukan kembali . Semakin banyak atom recoil ketika dibenturkan oleh cahaya, semakin banyak keluar fase dengan versi dirinya yang tidak dikeluarkan. Para peneliti mengukur perbedaan ini untuk mengungkap kecepatan recoil atom. "Dari kecepatan recoil, kami mengekstrak massa atom, dan massa atom terlibat langsung dalam penentuan konstanta struktur halus," kata Guellati-Khélifa.

Dalam eksperimen yang sangat presisi seperti itu, setiap detail penting. Tabel 1 dari makalah adalah "kesalahan" yang mencantumkan 16 sumber kesalahan dan ketidakpastian yang mempengaruhi pengukuran akhir. Ini termasuk gravitasi dan gaya Coriolis yang diciptakan oleh rotasi Bumi - keduanya dihitung dan dikompensasikan dengan susah payah. Sebagian besar kesalahan berasal dari kelemahan laser, yang telah menghabiskan waktu bertahun-tahun para peneliti untuk menyempurnakannya.

Bagi Guellati-Khélifa, bagian tersulit adalah mengetahui kapan harus berhenti dan menerbitkannya. Dia dan timnya menghentikan pada tanggal 17 Februari 2020, tepat ketika virus Corona mulai menyebar di Prancis. Ditanya apakah memutuskan untuk menerbitkan adalah seperti seorang seniman yang memutuskan bahwa lukisannya sudah selesai, Guellati-Khélifa berkata, "Tepat. Persis. Persis."

Anehnya, pengukuran barunya berbeda dari hasil Müller tahun 2018 di digit kesepuluh, perbedaan yang lebih besar daripada margin kesalahan kedua pengukuran. Ini berarti - kecuali beberapa perbedaan mendasar antara rubidium dan cesium - bahwa salah satu atau kedua pengukuran memiliki kesalahan yang tidak dapat dihitung. Pengukuran grup Paris lebih tepat, jadi ini diutamakan untuk saat ini, tetapi kedua grup akan menyempurnakan penyiapannya dan mencoba lagi.

Meskipun kedua pengukuran berbeda, keduanya sangat cocok dengan nilai alfa yang disimpulkan dari pengukuran tepat faktor-g elektron , konstanta yang terkait dengan momen magnetnya, atau torsi yang dialami elektron dalam medan magnet. "Anda dapat menghubungkan konstanta struktur halus ke faktor G dengan rumus matematika yang banyak," kata Cornell. "Jika ada efek fisik yang hilang dari persamaan [Model Standar], kami akan mendapatkan jawaban yang salah."

Sebaliknya, pengukurannya sangat cocok, sebagian besar mengesampingkan beberapa proposal untuk partikel baru . Kesepakatan antara pengukuran faktor-g terbaik dan pengukuran Müller di tahun 2018 dipuji sebagai kemenangan terbesar Model Standar. Hasil baru Guellati-Khélifa adalah hasil yang lebih baik. "Itu adalah kesepakatan paling tepat antara teori dan eksperimen," katanya.

Namun dia dan Müller sama-sama mulai membuat perbaikan lebih lanjut. Tim Berkeley telah beralih ke laser baru dengan pancaran yang lebih luas (memungkinkannya untuk menembak awan atom cesium mereka secara lebih merata), sementara tim Paris berencana untuk mengganti ruang vakum mereka, antara lain.

Orang macam apa yang berusaha sekuat tenaga untuk sedikit perbaikan? Guellati-Khélifa menyebutkan tiga sifat: "Anda harus tegas, bersemangat, dan jujur ​​dengan diri sendiri." Müller berkata dalam menanggapi pertanyaan yang sama, "Saya pikir ini mengasyikkan karena saya suka membuat mesin yang bagus dan berkilau. Dan saya suka menerapkannya pada sesuatu yang penting. " Dia mencatat bahwa tidak ada yang bisa sendirian membangun penumbuk berenergi tinggi seperti Large Hadron Collider di Eropa. Tetapi dengan membuat instrumen yang sangat presisi daripada membuat yang super-energik, Müller berkata, "Anda dapat melakukan pengukuran yang relevan dengan fisika fundamental, tetapi dengan tiga atau empat orang."