Era Baru Menjelajahi Anti Materi: Pengukuran Presisi Pertama Spektrum Transisi 1S-2S Atom anti-Hydrogen

Di Awal abad ke-20, Fisika mengalami pelompatan pemikiran tentang sifat dasar dari materi penyusun alam semesta. Keberhasilan Erwin Schrodinger merumuskan pondasi matematis dari sifat partikel sebagai gelombang probabilitas menjadi gerbang untuk menulusuri dunia atomik.

Baca juga:

Pada tahun 1928, Paul Dirac menyadari bahwasannya elekron yang berukuran sangat kecil dan bergerak sangat cepat seharusnya membutuhkan peranan relativitas khusus. Dari hasil pemikiran inilah, Dirac merumuskan sebuah persamaan rumit yang merupakan penggabungan Persamaan Schrodinger dengar relativitas khusus.

Implikasi dari perumusan tersebut, Dirac menyingkap sifat electron yang belum terjelaskan. Yang pertama, persamaan Dirac memprediksi bahwasanya electron memiliki spin. Yang kedua, hadirnya partikel bebas yang mempunyai energi negatif. Dari interprestasi ini, Dirac mengasumsikan keberadaan partikel baru yang disebut Anti-Materi

Dibalik ide brilian Dirac, terdapat ekperimentalis Carl Anderson yang sedang mempelajari lintasan dari pergerakan sinar cosmic menggunakan cloud chamber. Berbekal konsep fisika yang sederhana menggunakan lempeng logam dan medan magnet, Anderson secara tidak sengaja mengamati sebuah gambaran aneh dari pergerakan partikel di dalam cloud chamber yang menyatakan adanya 2 partikel dengan massa yang sama tetapi mempunyai muatan yang berbeda. Dari hasil pengamatan inilah, Anderson mengindikasikan eksistensi anti-materi yang sebelumnya diprediksi oleh Dirac melalui persamaan matematisnya.

Hasil pengamatan positron oleh Anderson

Akan tetapi, masih terdapat tanda tanya besar tentang keberadaan anti-materi di alam semesta kita. Menurut teori big bang, jumlah materi dan anti materi berjumlah sama pada saat permulaan alam semesta. Tetapi yang bisa kita lihat saat ini, semua bentuk kehidupan di bumi hingga objek luar angkasa hampir seluruhnya tersusun oleh materi. Kesenjangan (asymmetry) inilah yang hingga sekarang belum terpecahkan.

Pada 4 April 2018, ALPHA Experiment mempublikasikan hasil penelitiannya tentang pengukuran spektrum transisi atom anti-hydrogen. ALPHA experiment merupakan salah satu divisi eksperimen anti-matter yang ada di CERN (Organisasi Eropa untuk Riset Nuklir). Ilmuwan Alpha membuat anti-hydrogen dengan mengambil  antiproton dari CERN Antiproton Decelerator (pemerlambat antiproton yang diproduksi dari tumbukan proton dan lempengan logam). Anti proton tersebut akan diikat dengan positron (anti-matteri partikel electron) yang berasal dari sodium-22.

Anti-hydrogen yang sudah diciptakan ini akan dikurung didalam ruang yang sangat vakum dan diberi medan magnet (ALPHAS-2’s magnetic multipole trap) untuk menghindari kontak dengan materi (hydrogen). Dari penggabungan 90.000 antiproton dengan 3.000.000 positron menghasilkan 50.000 atom antihydrogen, tetapi hanya 20 anti-hydrogen yang berhasil dikurung di dalam magnetic trap.

a. Potongan dari skema alat ALPHA-2.
b. persebaran medan magnet pada ALPHA-2

Sebelumnya, Pada tahun 2016. ALPHA experiment berhasil mengukur tingkat energy terendah (1S – ground state) dan tingkat energy tereksitasi pertama (2S) dari positron yang berada pada anti-hydrogen menggunakan dua laser dengan frekuensi berbeda. Laser pertama dicocokan dengan frekuensi eksitasi 1S – 2S dari hydrogen, sedangkan laser kedua digunakan mengembalikannya. Dan dilanjutkan dengan menghitung jumlah atom yang keluar dari magnetic trap dikarenakan interaksi antara laser dan atom yang terperangkap.

Pada percobaan yang terbaru ini, ALPHA experiment menggunakan aparatus ALPHA-2. Denga melakukan prinsip yang sama seperti penelitian sebelumnya, akan tetapi menggunakan banyak laser dengan perbedaan frekuensi yang sangat kecil.  Hal ini dilakukan agar, dapat mengamati bentuk spectrum atau persebaran warna dari transisi 1S-2S. Dan juga untuk mendapatkan pengukuran yang lebih akurat dari frekuensi tingkat energy teredah dan tingkat energy tereksitasi pertama yang mana pada percobaan sebelumnya (2016), tingkat energy tersebut merujuk kepada tingkat energy atom hydrogen.

Hasil percobaan menggunakan apparatus ALPHA-2 memberikan bahwa hydrogen dan antihydrogen mempunyai tingkat energy dan spectrum warna yang sama. Untuk penelitian selanjutnya, ALPHA experiment akan meningkatlan tingkat frekuensi dari laser dan mempelajari kesimetrian muatan-paritas-waktu (CPT symmetry) dari atom hydrogen dan antihydrogen. ALPHA experiment berharap ini menjadi permulaan bagi penjelajahan kesenjangan (asymmetry) antara materi dan antimateri.

 

Referensi

  • Canetti. Laurent, et al, 2012, Matter and antimatter in the universe, New Journal of Physics 14 095012 (20pp), doi:10.1088/1367-2630/14/9/095012.
  • Ahmadi. M, et al, 2018, Characterization of the 1S–2S transition in antihydrogen, Nature, doi.org/10.1038/s41586-018-0017-2
  • Anderson. C. D, 1993, The positive electron. Phys. Rev. 43, 491–494, doi.org/10.1103/PhysRev.43.491
  • Ahmadi. M, et al, 2016, Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen, Nature, doi:10.1038/nature21040
Nilai Artikel Ini
Artikel Berhubungan:

Sponsor Warstek.com:

Yuk Ajukan Pertanyaaan atau Komentar