Ilmuwan CERN Berhasil Memerangkap Anti-Hidrogen

Para fisikawan di Organisasi Eropa untuk Riset Nuklir (CERN) Jenewa, Swiss, telah berhasil menangkap antihidrogen – setara dengan antimateri dari atom hidrogen – sebuah tonggak yang segera dapat membawa percobaan ke arah bentuk materi yang hilang secara misterius, tidak lama setelah kelahiran alam semesta 14 miliar tahun yang lalu.

Pertama kalinya secara artifisial memproduksi atom antihidrogen rendah energi – terdiri dari positron, atau elektron antimateri, mengorbiti inti antiproton – diciptakan di CERN pada tahun 2002, namun hingga saat ini atomnya selalu menyerang materi normal dan hancur dalam kecepatan sinar gamma, beberapa mikro-detik penciptaan.

Percobaan ALPHA (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus), sebuah kolaborasi internasional yang mencakup fisikawan dari Universitas California, Berkeley, dan Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), kini telah berhasil memerangkap 38 atom antihidrogen, masing-masing untuk lebih dari satu-sepersepuluh detik.

Sementara jumlah dan masa hidupnya tidak cukup untuk mengancam Vatikan – dalam novel 2000 dan film 2009 “Angels & Demons”, sebuah tong tersembunyi berisi antihidrogen yang berpotensi menimbulkan ledakan, dikuburkan di bawah Basilika Santo Petrus di Roma – itu merupakan titik awal untuk mempelajari fisika baru, kata para peneliti.

“Kami akan semakin dekat ke titik di mana kami dapat melakukan beberapa kelas percobaan pada sifat-sifat antihidrogen,” kata Joel Fajans, profesor fisika UC Berkeley, ilmuwan fakultas LBNL dan anggota tim ALPHA. “Awalnya, ini eksperimen mentah untuk menguji simetri CPT, tapi karena belum ada yang mampu membuat jenis pengukuran pada atom antimateri sama sekali, itulah awal yang baik.”

Posisi dari penghancuran 38 anti-atom nyata (lingkaran dan segitiga) cocok dengan prediksi distribusi antihidrogen (titik abu-abu di panel atas) tetapi tidak mensimulasikan distribusi antiproton telanjang (titik berwarna di panel bawah). Muatan antiproton telanjang akan dikemudikan untuk gugusan yang berbeda dengan medan listrik yang berbeda (bias kanan merah, bias kiri biru, hijau tanpa bias), tetapi anti-atom bersifat netral sehingga distribusi mereka tidak terpengaruh. (Bintang ungu adalah positron energik) (Kredit: Tim APLHA di CERN)

Simetri CPT (paritas waktu muatan) adalah hipotesis bahwa interaksi fisika terlihat sama jika anda memutar muatan semua partikel, mengubah paritas mereka – yaitu, dengan membalikkan koordinat mereka dalam ruang – dan waktu mundur. Setiap perbedaan antara antihidrogen dan hidrogen, semacam perbedaan dalam spektrum atom mereka, secara otomatis melanggar CPT, menggulingkan “model standar” partikel dan interaksinya saat ini, dan mungkin menjelaskan mengapa antimateri, yang diciptakan dalam jumlah yang sama saat kelahiran alam semesta ini, sebagian besar tidak ada pada saat ini.

Hasil tim ini dipublikasikan online pada tanggal 17 November sebelum tampilan cetak dalam jurnal Nature Inggris.

Antimateri, yang pertama kali diprediksi oleh fisikawan Paul Dirac pada tahun 1931, memiliki muatan yang berlawanan dengan materi normal, dan hancur sepenuhnya dalam kecepatan energi saat berinteraksi dengan materi normal. Sementara para astronom melihat adanya bukti penghancuran antimateri yang signifikan di ruang angkasa, antimateri diproduksi selama interaksi partikel energi tinggi di bumi dan beberapa di antaranya meluruhkan unsur radioaktif. Fisikawan UC Berkeley, Emilio Segre dan Owen Chamberlain, menciptakan antiproton dalam akselerator Bevatron di Lawrence Radiation Laboratory, kemudian LBNL, pada tahun 1955, membenarkan keberadaan mereka dan para ilmuwan tersebut memperoleh Nobel 1959 untuk fisika.

Antihidrogen yang lambat diproduksi di CERN pada tahun 2002 berkat decelerator antiproton yang memperlambat antiproton, hingga cukup lambat untuk digunakan dalam eksperimen yang mengkombinasikan mereka dengan awan positron. Percobaan ATHENA, sebuah kolaborasi besar internasional, yang melaporkan deteksi pertama antihidrogen dingin, beserta rivalnya, percobaan ATRAP, belakangan telah ditutup.

Percobaan ATHENA ditutup pada tahun 2004, yang kemudian diganti dengan ALPHA, dikoordinir oleh Jeffrey Hangst dari Universitas Aarhus di Denmark. Sejak itu, tim ALPHA dan ATRAP harus bersaing dalam memerangkap antihidrogen bagi kepentingan eksperimen, khususnya, percobaan laser untuk mengukur spektrum antihidrogen (warna dengan yang mana yang bersinar) – dan pengukuran gravitasi. Sebelum hasil baru-baru ini, percobaan CERN hanya sekilas yang menghasilkan puluhan juta atom antihidrogen, kata Fajans.

Pendekatan ALPHA adalah mendinginkan antiproton dan mengompres mereka ke dalam awan seukuran batang korek api (panjang 20 mm dan berdiameter 1,4 milimeter). Kemudian, dengan menggunakan auto-resonan, teknik yang dikembangkan oleh professor UC Berkeley, Lazar Friedland, dan pertama kali dieksplorasi dalam plasma oleh Fajans beserta mantan mahasiswa pascasarjana UC Berkeley, Erik Gilson, awan dingin, antiproton yang dikompresi menumpang tindih awan positron, di mana dua partikel berpasangan untuk membentuk antihidrogen.

Semua ini terjadi di dalam sebuah botol magnet yang memerangkap atom antihidrogen. Perangkap magnetik merupakan medan magnet yang dikonfigurasi secara khusus dengan menggunakan magnet superkonduktor octupole biasa yang mahal untuk menciptakan plasma yang lebih stabil. Hal ini pertama kali diusulkan oleh Fajans dan sarjana UC Berkeley, Andrea Schmidt.

“Untuk saat ini, kami mempertahankan kecepatan atom antihidrogen untuk setidaknya sekitar 172 milidetik – sekitar seperenam detik – cukup lama untuk memastikan kami memerangkap mereka,” kata Jonathan Wurtele, profesor fisika UC Berkeley dan ilmuwan fakultas LBNL. Wurtele berkolaborasi dengan pengunjung LBNL, Katia Gomberoff, staf anggota Alex Friedman, David Grote serta Jean-Luc vay, dan bersama Fajans untuk mensimulasikan konfigurasi magnet baru dan orisinil.

Memerangkap antihidrogen tidaklah mudah, kata Fajans, karena ia merupakan partikel netral, atau tanpa muatan. Botol magnetik biasanya digunakan untuk menjebak partikel bermuatan seperti atom terionisasi. Spiral partikel bermuatan ini berada di sepanjang garis-garis medan magnet sampai mereka berhadapan dengan medan listrik yang memantulkan mereka kembali ke arah pusat botol.

Antiproton dan positron dibawa ke dalam perangkap ALPHA dari kedua ujung yang berlawanan dan ditahan di sana dengan medan listrik dan magnet. Dengan membawa secara bersamaan, mereka membentuk anti-atom netral dalam muatan namun dengan sebuah momen magnetik. Jika energi mereka cukup rendah, mereka dapat ditahan oleh bidang octupole dan cermin dari Minimum Magnetic Field Trap. (Kredit: Tim APLHA di CERN)

Antihidrogen netral, bagaimanapun juga, biasanya akan terpengaruh oleh bidang ini. Namun, tim mengambil keuntungan dari momen magnetik kecil dari atom antihidrogen untuk memerangkapnya dengan menggunakan peningkatan bidang secara tajam – disebut cermin magnetik – yang merefleksikan mereka mundur ke pusat. Karena momen magnetik sangat kecil, antihidrogen harus sangat dingin: kurang dari sekitar satu setengah derajat di atas nol absolut (0,5 Kelvin). Artinya, tim harus memperlambat antiproton dengan faktor seratus miliar dari energi awal mereka yang muncul dari decelerator antiproton.

Setelah terperangkap, peneliti menyapu keluar antiproton dengan medan listrik, kemudian mematikan bidang cermin dan membiarkan atom antihidrogen yang terperangkap hancur dengan materi normal. Di seputar detektor adalah peka terhadap pion bermuatan yang dihasilkan dari penghancuran proton-antiproton. Sinar kosmik juga dapat mematikan detektor, tapi trek garis lurus mereka dapat dengan mudah dibedakan, kata Fajans. Sedikit antiproton berpotensi tetap di dalam perangkap, dan penghancuran mereka akan terlihat mirip dengan antihidrogen, tetapi simulasi para ahli fisika menunjukkan bahwa peristiwa tersebut juga bisa berhasil dibedakan dari penghancuran antihidrogen.

Selama bulan Agustus dan September tahun 2010, tim peneliti mendeteksi atom antihidrogen pada 38 dari 335 siklus injeksi antiproton. Mengingat efisiensi detektor mereka adalah sekitar 50 persen, tim menghitung bahwa detektor menangkap sekitar 80 dari beberapa juta atom antihidrogen yang dihasilkan selama siklus ini. Percobaan pada tahun 2009 memunculkan enam calon atom antihidrogen, tetapi mereka belum dikonfirmasi.

ALPHA terus mendeteksi atom antihidrogen pada sebuah perkembangan tingkat sebagaimana para peneliti mempelajari bagaimana menyempurnakan percobaan mereka dengan lebih baik, kata Fajans.

Sumber Artikel: Antihydrogen trapped for first time (berkeley.edu)
Kredit: University of California – Berkeley
Informasi lebih lanjut: Antimatter Atoms Successfully Stored for the First Time (newscenter.lbl.gov)

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s