Penjelasan Populer Paper Dark Matter-Neutrino Interaction in Light of Collider and Neutrino Telescope Data JHEP 1806 (2018) 026 (Narasumber: Reinard Primulando, Ph.D.)

Alam semesta kita masih menyimpan berbagai misteri. Salah satu misteri terbesar dari alam semesta adalah keberadaan materi gelap. Dari efek gravitasi yang terukur, kita mengetahui bahwa materi gelap memiliki kerapatan massa rata-rata lima kali lebih besar dibanding dengan kerapatan massa dari partikel yang telah kita ketahui seperti proton dan elektron. Sayangnya hingga kini kita tidak banyak mengetahui dengan pasti sifat-sifat dari materi gelap ini. Karenanya pencarian mengenai karakter materi gelap masih menjadi salah satu riset utama dari fisika partikel saat ini.

Untuk memandu pencarian kita mengenai materi gelap, kita harus mengambil berbagai asumsi. Salah satu asumsi yang sering digunakan adalah materi gelap berinteraksi dengan quark dan/atau gluon. Dengan adanya asumsi ini, maka materi gelap dapat bertumbukan dengan inti atom yang terdiri atas quark atau gluon. Selain itu materi gelap dapat juga diproduksi di penumbuk partikel Large Hadron Collider (LHC), yang menumbukkan proton dengan proton lainnya. Sayangnya hingga saat ini, dengan asumsi tersebut, materi gelap belum dapat ditemukan di berbagai eksperimen atau pengamatan yang berusaha mencarinya.

Jika materi gelap tidak ditemukan, ada kemungkinan bahwa asumsi yang digunakan kurang tepat. Jika materi gelap tidak berinteraksi dengan quark/gluon, kemungkinan lainnya adalah materi gelap berinteraksi dengan neutrino. Neutrino adalah partikel yang hampir tak bermassa dan sangat jarang berinteraksi dengan atom-atom yang kita kenal. Jika neutrino melewati besi dengan panjang lima kali jarak Matahari-Pluto, maka secara rata-rata neutrino hanya akan berinteraksi sekali saja. Karenanya jika materi gelap hanya berinteraksi dengan neutrino, materi gelap sangat sukar ditemukan.

Walaupun tampak mustahil, namun kita masih dapat mencari materi gelap dalam kasus ini. Materi gelap dapat bertumbukan di pusat galaksi sehingga menghasilkan pasangan neutrino-antineutrino. Neutrino hasil tumbukan akan merambat di sepanjang galaksi kita dan jika sampai ke Bumi, dapat dideteksi oleh berbagai observatorium neutrino yang ada di Bumi. Observatorium neutrino ICE-CUBE dan Super-Kamiokande telah mencari neutrino hasil dari tumbukan materi gelap dengan asumsi massa materi gelap antara 1 – 10.000 kali massa proton. Kedua observatorium tersebut tidak menemukan neutrino yang dicari dan mempublikasikan batasan seberapa sering materi gelap bertumbukan dan menjadi neutrino. Observatorium Kam-LAND membuat pengukuran yang sama dengan asumsi massa materi gelap 3/1.000 hingga 5/100 massa proton dan tidak menemukan neutrino hasil dari tumbukan materi gelap. Sehingga hingga saat ini kita memiliki batasan tentang bagaimana materi gelap berinteraksi dengan neutrino pada massa-massa di atas.

Dalam publikasi saya beserta Patipan Uttayarat yang dimuat pada The Journal of High Energy Physics (Q1), kami mencoba mencari batasan dari interaksi materi gelap-neutrino pada massa 5/100 – 1 kali massa proton, yakni massa yang belum dicari oleh semua observatorium di atas. Kami menggunakan data publik dari pencarian sisa dari neutrino supernova yang dilakukan oleh Super Kamiokande. Selain itu kami juga menggunakan data dari pencarian neutrino atmosfer yang juga dilakukan oleh Super Kamiokande. Dengan menggunakan data tersebut, dan digabung dengan hasil resmi dari ICE-CUBE, KamLAND dan Super Kamiokande, seluruh massa materi gelap dari 3/1000 hingga 10.000 massa proton dapat ditentukan batasannya.

Walaupun tampaknya LHC tidak dapat mencari materi gelap yang hanya berinteraksi dengan neutrino. Pada publikasi kami, kami menunjukkan bahwa channel monolepton pada LHC dapat digunakan untuk mencari materi gelap. Pada model standard, monolepton didapatkan dari diagram yang melibatkan W-boson meluruh menjadi elektron dan neutrino. Neutrino akan menjadi missing energy pada detektor LHC. Ide kami adalah: jika neutrino berinteraksi dengan materi gelap, maka W-boson dapat juga meluruh menjadi elektron, neutrino dan sepasang materi gelap. Dalam kasus ini maka channel yang akan terlihat juga monolepton, karena baik neutrino dan materi gelap akan menjadi missing energy pada detektor LHC. Dalam publikasi ini kami menemukan bahwa distribusi momentum dari monolepton dari produksi materi gelap berbeda dengan distribusi dari produksi elektron dan neutrino saja. Dari distribusi ini maka batasan dari interaksi-materi gelap dari LHC dapat diturunkan. Kami menemukan bahwa dalam beberapa kasus, batasan yang didapat dari LHC akan lebih baik daripada pengamatan observatorium neutrino. Hal ini membuka kemungkinan bahwa LHC akan lebih dulu menemukan materi gelap dalam skenario ini.

Pencarian materi gelap masih terus berlanjut. Berbagai model terus dikembangkan untuk memberi petunjuk di mana dan bagaimana para fisikawan mencari materi gelap. Publikasi kami menambah sedikit petunjuk dalam pencarian ini. Semoga dalam waktu tidak terlalu jauh di masa depan, kita akan mengetahui sifat sebenarnya dari materi gelap ini.

Sumber:

Reinard Primulando Ph.D.

http://inspirehep.net/record/1632189?ln=en