astropedia – Bayangkan sebuah atom helium.
Di dalam intinya terdapat proton dan neutron. Elektron kemudian mengelilingi inti tersebut.
Sekarang balik semuanya.
Proton menjadi antiproton.
Neutron menjadi antineutron.
Elektron diganti positron.
Kita mendapatkan sesuatu yang terdengar seperti keluar dari dunia fiksi ilmiah: antihelium.
Secara teori, antihelium bukan sesuatu yang mustahil. Fisikawan bahkan sudah berhasil membuat inti antihelium dalam eksperimen tumbukan partikel.
Tetapi ada perbedaan sangat besar antara membuat antihelium sesaat di laboratorium dan menemukan antihelium yang datang dari kedalaman kosmos.
Karena kalau sebuah inti antihelium benar-benar melintasi galaksi kemudian sampai ke detektor manusia, pertanyaan berikutnya langsung menjadi sangat besar.
Dari mana benda itu berasal?
Inilah alasan pencarian antihelium di luar angkasa menjadi salah satu cerita paling menarik dalam fisika partikel dan astrofisika modern.
Antihelium Itu Sebenarnya Apa?
Untuk memahami mengapa ilmuwan begitu tertarik, kita perlu mengenal antimateri terlebih dahulu.
Hampir setiap partikel materi mempunyai pasangan antimateri.
Elektron mempunyai positron.
Proton mempunyai antiproton.
Neutron mempunyai antineutron.
Massanya sama, tetapi beberapa sifat kuantumnya berlawanan.
Ketika materi dan antimateri bertemu, keduanya dapat mengalami annihilation atau pemusnahan dan mengubah massanya menjadi partikel lain serta energi.
Lalu bagaimana dengan antihelium?
Helium biasa mempunyai inti yang tersusun dari proton dan neutron. Antihelium adalah versi antimaterinya yang intinya tersusun dari antiproton dan antineutron.
Ada beberapa isotop yang relevan.
Antihelium-3 mempunyai dua antiproton dan satu antineutron, sedangkan antihelium-4 mempunyai dua antiproton dan dua antineutron.
Kedengarannya sederhana.
Masalah sebenarnya bukan apakah antihelium bisa eksis.
Kita sudah tahu antinukleus dapat terbentuk.
Pertanyaan besarnya adalah seberapa mudah alam semesta bisa membuatnya secara alami?
Kenapa Satu Inti Antihelium Bisa Membuat Ilmuwan Heboh?
Antiproton sudah ditemukan dalam sinar kosmik.
Positron juga demikian.
Keberadaan keduanya tidak otomatis berarti ada planet antimateri atau galaksi antimateri di luar sana.
Partikel berenergi tinggi di alam semesta dapat bertabrakan dengan materi lain dan menghasilkan partikel sekunder, termasuk beberapa jenis antimateri.
Tetapi semakin kompleks antinukleusnya, semakin sulit proses pembentukannya.
Untuk menghasilkan antihelium, alam harus membuat beberapa antinukleon dengan kondisi yang memungkinkan mereka bergabung menjadi sebuah inti.
Probabilitasnya jauh lebih kecil dibanding menghasilkan satu antiproton.
Itulah sebabnya antihelium menjadi menarik.
Kalau jumlah antihelium kosmik yang ditemukan ternyata jauh lebih tinggi daripada prediksi proses astrofisika biasa, ilmuwan membutuhkan penjelasan.
Dan di situlah pintu menuju fisika yang lebih eksotis mulai terbuka.
AMS-02 dan Perburuan Antihelium dari International Space Station
Di atas kepala kita, International Space Station membawa salah satu instrumen fisika partikel paling menarik yang pernah ditempatkan di luar angkasa.
Namanya Alpha Magnetic Spectrometer, atau AMS-02.
Instrumen ini dipasang di ISS pada 2011.
Tugasnya adalah mengukur sinar kosmik dengan presisi tinggi dan mencari berbagai fenomena yang dapat membantu menjawab pertanyaan fundamental mengenai alam semesta.
Termasuk antimateri.
AMS menggunakan magnet dan serangkaian detektor untuk mengetahui karakteristik partikel yang melewatinya.
Muatan listrik menjadi sangat penting.
Inti helium biasa mempunyai muatan positif.
Inti antihelium mempunyai muatan negatif.
Karena partikel bermuatan dibelokkan secara berbeda oleh medan magnet tergantung tanda muatannya, secara prinsip detektor dapat membedakan helium dari antihelium.
Namun pekerjaan tersebut jauh lebih sulit daripada kedengarannya.
Sinar kosmik dipenuhi inti helium biasa dalam jumlah sangat besar.
Antihelium, kalau memang ada, luar biasa langka.
Kesalahan pengukuran terhadap satu partikel helium bisa menciptakan sinyal yang menyerupai antihelium.
Karena itulah klaimnya membutuhkan pemeriksaan ekstrem.
Kandidat Antihelium yang Membuat Dunia Fisika Penasaran
Selama bertahun-tahun, ada laporan dan pembahasan mengenai sejumlah kandidat antihelium yang terdeteksi AMS.
Kata “kandidat” di sini sangat penting.
Ini bukan sama dengan mengatakan antihelium kosmik sudah ditemukan secara definitif.
Dalam fisika eksperimental, sebuah peristiwa menarik harus melewati analisis sangat ketat sebelum dapat berubah menjadi klaim penemuan.
Salah satu persoalannya adalah background.
Bayangkan mencari sepuluh butir pasir hitam di antara miliaran butir pasir putih.
Sekarang bayangkan alat yang kamu gunakan mempunyai kemungkinan sangat kecil untuk salah membaca pasir putih sebagai hitam.
Kemungkinan kesalahannya mungkin luar biasa kecil.
Tetapi karena pasir putihnya berjumlah miliaran, kesalahan yang sangat langka sekalipun tetap dapat muncul.
Itulah kurang lebih masalah pencarian antihelium.
Helium biasa jauh lebih melimpah dibanding antihelium yang diperkirakan.
Karena itu ilmuwan harus memastikan kandidat tersebut bukan helium biasa yang direkonstruksi secara keliru.
Kalau Benar Antihelium, Dari Mana Asalnya?
Misalkan suatu hari kandidat tersebut dikonfirmasi.
Kita benar-benar mempunyai antihelium kosmik.
Apakah itu berarti ada bintang antimateri?
Belum tentu.
Ada beberapa kemungkinan yang harus diperiksa.
Antihelium Bisa Terbentuk dari Tumbukan Sinar Kosmik
Sinar kosmik bergerak dengan energi sangat tinggi.
Ketika proton atau inti atom berenergi tinggi menghantam materi di ruang antarbintang, tumbukan tersebut dapat menghasilkan partikel baru.
Antiproton bisa terbentuk.
Antineutron bisa terbentuk.
Dalam kondisi tertentu, antinukleon tersebut dapat bergabung membentuk antinukleus.
Mekanisme seperti ini disebut produksi sekunder.
Jadi keberadaan antihelium tidak otomatis membutuhkan sumber antimateri raksasa.
Masalahnya adalah jumlah.
Produksi antihelium melalui tumbukan biasa diperkirakan sangat jarang.
Karena itu kalau fluks yang diamati terlalu tinggi dibanding prediksi background astrofisika, ceritanya menjadi jauh lebih menarik.
Dark Matter Bisa Menjadi Salah Satu Kemungkinan
Di sinilah dark matter masuk.
Kita mengetahui keberadaan dark matter terutama melalui efek gravitasinya.
Galaksi berotasi dengan cara yang sulit dijelaskan hanya menggunakan materi yang terlihat. Struktur kosmik dan berbagai pengamatan lain juga menunjukkan adanya komponen materi yang tidak berinteraksi dengan cahaya seperti materi biasa.
Tetapi kita belum mengetahui secara pasti partikel apa yang membentuk dark matter.
Dalam sejumlah model teoritis, partikel dark matter dapat mengalami annihilation atau decay yang akhirnya menghasilkan partikel antimateri.
Jika proses tersebut menghasilkan antiproton dan antineutron dengan kondisi yang tepat, mereka dapat membentuk antinukleus.
Termasuk antihelium.
Karena background antihelium dari proses biasa sangat kecil, sinyal antihelium tertentu secara teori dapat menjadi kanal menarik dalam pencarian dark matter.
Tetapi sekali lagi, ini belum berarti antihelium adalah bukti dark matter.
Itu adalah salah satu hipotesis yang harus diuji terhadap penjelasan astrofisika lainnya.
Ada Kemungkinan yang Lebih Gila: Bintang Antimateri
Sekarang kita masuk ke kemungkinan paling dramatis.
Bagaimana kalau antihelium berasal dari sebuah tempat yang memang tersusun dari antimateri?
Bayangkan sebuah bintang.
Dari jauh, mungkin penampilannya tidak terlalu berbeda.
Tetapi proton di dalamnya digantikan antiproton.
Elektronnya digantikan positron.
Materinya merupakan antimateri.
Sebuah antistar.
Kalau proses nuklir atau aktivitas permukaan antistar melepaskan antinukleus ke ruang antarbintang, sebagian secara teoritis dapat melakukan perjalanan melalui galaksi.
Kemudian setelah perjalanan sangat panjang, salah satunya mungkin menghantam AMS di ISS.
Kalau skenario tersebut benar, satu inti antihelium bisa menjadi seperti surat yang dikirim dari sebuah dunia antimateri.
Namun saat ini belum ada bukti konklusif bahwa antistar benar-benar ada.
Pencarian antistar juga dilakukan melalui sinyal lain, termasuk sinar gamma yang mungkin dihasilkan ketika antimateri bertemu materi biasa.
Karena itu hubungan antara kandidat antihelium dan antistar tetap merupakan hipotesis, bukan fakta yang sudah dibuktikan.
Kenapa Alam Semesta Tidak Dipenuhi Antimateri?
Sekarang kita sampai pada misteri yang lebih besar.
Menurut pemahaman fisika modern, Big Bang seharusnya menghasilkan materi dan antimateri dalam kondisi yang membuat pertanyaan tentang keseimbangannya sangat penting.
Tetapi ketika kita melihat alam semesta hari ini, hampir semua yang terlihat terbuat dari materi.
Bintang adalah materi.
Planet adalah materi.
Bumi adalah materi.
Tubuh kita juga materi.
Antimateri memang muncul dalam berbagai proses fisika, tetapi tidak terlihat membentuk struktur kosmik dalam jumlah sebanding dengan materi biasa.
Pertanyaannya kemudian sederhana sekaligus brutal:
ke mana antimaterinya pergi?
Inilah yang dikenal sebagai persoalan matter-antimatter asymmetry atau asimetri materi-antimateri.
Ada sesuatu dalam sejarah awal alam semesta yang menyebabkan materi akhirnya mendominasi.
Kita mempunyai berbagai mekanisme teoritis untuk menjelaskannya, tetapi gambaran lengkapnya masih menjadi persoalan besar dalam fisika.
Karena itu pencarian antihelium bukan sekadar berburu partikel langka.
Ia bersinggungan dengan pertanyaan mengenai mengapa alam semesta yang kita tempati bisa terbentuk seperti sekarang.
Bagaimana Kalau Ternyata Ada Wilayah Antimateri di Alam Semesta?
Secara intuitif muncul pertanyaan lain.
Bagaimana kalau alam semesta sebenarnya terbagi?
Wilayah tertentu berisi materi.
Wilayah lain berisi antimateri.
Mungkin ada galaksi antimateri sangat jauh yang dari teleskop terlihat hampir seperti galaksi biasa.
Ide tersebut terdengar menarik.
Masalahnya, batas antara wilayah materi dan antimateri seharusnya menghasilkan annihilation.
Ketika gas materi bertemu gas antimateri, interaksi keduanya dapat menghasilkan radiasi gamma.
Kita kemudian dapat mencari jejak radiasi tersebut.
Pengamatan kosmologis selama beberapa dekade telah memberikan batasan kuat terhadap keberadaan domain antimateri dalam skala besar di alam semesta yang dapat diamati.
Itulah sebabnya menemukan antihelium dalam sinar kosmik akan memunculkan pertanyaan asal-usul yang sangat serius.
Kalau berasal dari sumber antimateri, sumbernya berada di mana?
Bagaimana ia bertahan?
Dan mengapa kita tidak melihat jejak annihilation dalam jumlah yang seharusnya muncul?
Satu jawaban dapat menciptakan lima pertanyaan baru.
Begitulah fisika bekerja.
GAPS Ikut Memburu Jawaban
AMS bukan satu-satunya eksperimen yang tertarik pada antinukleus kosmik.
Ada juga General AntiParticle Spectrometer atau GAPS.
Berbeda dengan AMS yang berada di ISS, GAPS menggunakan balon ilmiah untuk membawa instrumen ke atmosfer bagian atas.
Target utamanya termasuk antiproton, antideuteron, dan antihelium berenergi rendah.
Pendekatannya juga berbeda.
Ketika antipartikel memasuki instrumen GAPS dan berhenti di material detektor, antipartikel tersebut dapat menggantikan elektron dalam sebuah atom dan membentuk keadaan eksotis.
Sistem tersebut kemudian menghasilkan sinar-X dengan karakteristik tertentu sebelum antipartikel akhirnya mengalami annihilation dengan inti.
Kombinasi sinyal inilah yang membantu ilmuwan mengidentifikasi jenis antipartikel.
GAPS menyelesaikan penerbangan balon pertamanya di Antarktika dan data ilmiahnya kemudian masuk tahap analisis.
Eksperimen ini menarik karena menyediakan metode berbeda dari AMS untuk mencari antinukleus.
Dalam sains, dua instrumen independen yang menggunakan teknik berbeda sangat berharga.
Jika suatu hari keduanya melihat populasi antinukleus yang konsisten, kasus ilmiahnya akan menjadi jauh lebih kuat.
CERN Membantu Menjawab Pertanyaan dari Bumi
Lucunya, untuk memahami antihelium yang mungkin datang dari luar angkasa, ilmuwan juga harus membuat antimateri di Bumi.
Di sinilah eksperimen akselerator seperti ALICE di Large Hadron Collider berperan.
Ketika partikel ditumbukkan dengan energi sangat tinggi, kondisi ekstrem dapat menghasilkan antinukleus.
Ilmuwan kemudian mempelajari bagaimana antinukleus tersebut terbentuk.
Penelitian semacam ini sangat penting karena ada pertanyaan mendasar:
berapa banyak antihelium yang sebenarnya dapat dihasilkan oleh proses fisika biasa?
Kalau kita salah menghitung background, kita bisa salah menafsirkan sinyal kosmik.
Misalnya sebuah model memprediksi produksi antihelium sekunder sangat kecil.
AMS kemudian melihat kandidat lebih banyak daripada prediksi.
Kita mungkin tergoda berkata, “Dark matter!”
Tetapi bagaimana kalau ternyata model pembentukan antiheliumnya yang kurang lengkap?
Itulah mengapa eksperimen collider dan eksperimen kosmik saling melengkapi.
Yang satu mencari partikel dari langit.
Yang lain mencoba memahami bagaimana partikel tersebut bisa terbentuk.
Satu Partikel Bisa Membawa Cerita Miliaran Kilometer
Ada sesuatu yang indah dari eksperimen semacam ini.
Bayangkan sebuah inti antihelium benar-benar terbentuk di suatu tempat di galaksi.
Ia kemudian melaju menembus medan magnet galaksi.
Tidak ada kamera yang mengikutinya.
Tidak ada manusia yang mengetahui keberadaannya.
Ia mungkin melakukan perjalanan selama waktu yang sangat panjang.
Kemudian secara kebetulan lintasannya bertemu sebuah detektor yang ukurannya sangat kecil dibanding galaksi.
Instrumen membaca muatannya.
Mengukur momentumnya.
Mengidentifikasi karakteristiknya.
Dan sebuah titik data muncul di komputer ilmuwan.
Dari satu titik kecil tersebut, manusia mencoba merekonstruksi cerita kosmik.
Apakah partikel itu lahir dari tumbukan sinar kosmik?
Apakah berasal dari dark matter?
Apakah model produksi antinukleus kita salah?
Atau apakah ada sumber antimateri yang belum kita ketahui?
Tidak heran antihelium menjadi begitu menarik.
Jangan Dulu Membayangkan Galaksi Antimateri
Di internet, cerita seperti ini sangat mudah berubah.
“Kandidat antihelium ditemukan.”
Beberapa kali dibagikan kemudian berubah menjadi:
“Ilmuwan menemukan antimateri di luar angkasa.”
Lalu menjadi:
“NASA menemukan galaksi antimateri.”
Padahal ketiga pernyataan tersebut mempunyai tingkat kepastian yang sangat berbeda.
Antimateri di ruang angkasa sendiri bukan konsep baru. Positron dan antiproton kosmik telah dipelajari selama bertahun-tahun.
Yang jauh lebih menarik adalah antinukleus berat seperti antihelium.
Dan khusus untuk kandidat antihelium AMS, kehati-hatian masih diperlukan sebelum menyebutnya sebagai deteksi kosmik definitif.
GAPS sendiri menegaskan bahwa hingga kini belum ada observasi kosmik antideuteron atau antihelium yang tidak ambigu.
Artinya, kita berada pada tahap yang justru menarik.
Ada petunjuk.
Ada kandidat.
Ada instrumen yang semakin sensitif.
Tetapi jawaban finalnya belum datang.
Jika Antihelium Dikonfirmasi, Apa yang Berubah?
Jawabannya tergantung jumlah dan spektrum energinya.
Menemukan satu atau beberapa inti antihelium tidak otomatis meruntuhkan seluruh fisika modern.
Ilmuwan pertama-tama akan menghitung apakah proses astrofisika biasa dapat menghasilkannya.
Model produksi antinukleus akan diperbaiki.
Interaksi sinar kosmik dengan medium antarbintang akan dihitung.
Data dari eksperimen collider akan dimasukkan.
Ketidakpastian instrumen akan diperiksa.
Baru setelah background konvensional benar-benar tidak mampu menjelaskan pengamatan, penjelasan yang lebih eksotis menjadi semakin menarik.
Dark matter bisa masuk.
Sumber astrofisika yang belum dipahami bisa masuk.
Bahkan kemungkinan sumber antimateri kosmik dapat dibahas.
Tetapi urutannya penting.
Dalam sains, penjelasan paling spektakuler bukan otomatis penjelasan pertama.
Antihelium Bisa Menjadi Partikel Kecil dengan Pertanyaan Sangat Besar
Mungkin akhirnya GAPS tidak menemukan antihelium.
Mungkin kandidat AMS ternyata dapat dijelaskan oleh background atau persoalan pengukuran.
Mungkin pula beberapa tahun ke depan justru terjadi sebaliknya: bukti semakin kuat dan antihelium benar-benar menjadi salah satu sinyal kosmik paling aneh yang pernah kita temukan.
Kita belum tahu.
Justru ketidakpastian itulah yang membuat ceritanya menarik.
Sebuah inti antihelium ukurannya begitu kecil sehingga tidak mungkin kita lihat dengan mata.
Namun keberadaannya dapat menyentuh tiga pertanyaan terbesar fisika sekaligus.
Bagaimana antimateri terbentuk secara alami?
Apa sebenarnya dark matter?
Dan mengapa alam semesta kita hampir seluruhnya tersusun dari materi?
Kalau suatu hari antihelium kosmik akhirnya dikonfirmasi secara meyakinkan, headline terbesarnya mungkin bukan sekadar “ilmuwan menemukan antimateri di luar angkasa.”
Antimateri sudah lama diketahui berada di alam.
Pertanyaan yang jauh lebih menarik adalah:
siapa yang membuat antihelium itu?
Dan jika jawabannya bukan proses astrofisika biasa, mungkin satu inti kecil yang menghantam detektor manusia sedang membawa pesan dari bagian alam semesta yang selama ini belum kita pahami.
Referensi
GAPS Collaboration. General AntiParticle Spectrometer – Science and Mission. GAPS menjelaskan pencarian antideuteron dan antihelium kosmik serta status belum adanya observasi yang tidak ambigu.
GAPS – UCLA
CERN. AMS releases new cosmic-ray measurements. Informasi mengenai Alpha Magnetic Spectrometer, pengukuran sinar kosmik, antimateri, dan pencarian dark matter.
CERN – Alpha Magnetic Spectrometer
CERN. The Alpha Magnetic Spectrometer experiment. Gambaran eksperimen AMS di International Space Station dan tujuan ilmiahnya dalam mempelajari sinar kosmik serta antimateri.
CERN – AMS Experiment
ALICE Collaboration. Antideuteron production from resonance decays in proton–proton collisions. Nature, 2025. Studi mengenai mekanisme pembentukan antinukleus yang membantu memperbaiki interpretasi pencarian antimateri kosmik.
Nature – ALICE Antinuclei Research
AMS Collaboration. The Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station. Informasi resmi eksperimen dan penelitian sinar kosmik berpresisi tinggi.
AMS-02
Tinggalkan Balasan