Bayangkan menjaga sesuatu yang boleh musnah sebaik sahaja bertemu pasangannya, sedangkan pasangan itu ada hampir di mana-mana di sekeliling kita. Itulah cabaran menyimpan positron, zarah antimateri yang menjadi pasangan kepada elektron.
Sekumpulan penyelidik di Northwestern University, Amerika Syarikat, kini berjaya memerangkap satu positron selama berbulan-bulan. Lebih menarik, mereka boleh mengawal perubahan kecil pada keadaan kuantumnya dan membaca isyaratnya tanpa memusnahkan zarah tersebut.
Kedengarannya macam babak makmal dalam filem fiksyen sains. Namun, sasaran eksperimen ini sangat khusus: menyediakan cara mengukur sifat magnet positron dengan lebih tepat, kemudian membandingkannya dengan elektron.
Kajian itu diterbitkan dalam Physical Review Letters pada 21 Oktober dan mendapat liputan baharu ScienceAlert pada 22 Oktober. Ia belum mengumumkan bahawa hukum fizik telah tumbang. Pasukan berkenaan baru menyediakan alat yang membolehkan ujian lebih teliti dibuat.
Antimateri bukan bahan khayalan
Positron mempunyai jisim yang sama seperti elektron, tetapi cas elektriknya positif. Elektron pula bercas negatif. Apabila kedua-duanya bertemu dan mengalami penghapusan, tenaga dilepaskan.
Menurut penerangan CMS di CERN, idea pasangan kepada elektron muncul daripada kerja teori Paul Dirac pada 1928. Kewujudan positron kemudian disahkan melalui pemerhatian pada 1932. Jadi, ini bukan bahan yang baru diperkenalkan kepada dunia minggu ini.
Yang sukar ialah memberi saintis masa dan keadaan yang cukup baik untuk mengkajinya. Zarah itu tidak boleh disimpan begitu sahaja dalam botol biasa. Dinding bekas dan bahan di sekelilingnya mengandungi elektron yang hendak dielakkan.
Sebab itulah perkataan “kurung” di sini tidak membawa maksud sangkar yang mempunyai jeriji fizikal. Medan elektrik dan magnet digunakan untuk mengekalkan kedudukan zarah bercas dalam ruang vakum, tanpa membiarkannya menyentuh dinding.
Ruang yang sangat sejuk, untuk zarah yang sangat kecil
Pasukan Northwestern membina apa yang dinamakan one-positron quantum cyclotron. Dalam penerangan penyelidikan, satu positron disimpan dalam medan magnet perangkap Penning, kemudian dikawal pada keadaan kuantum yang boleh dibezakan.
Istilah itu memang panjang. Cara mudah memahaminya: saintis mahu melihat perubahan gerakan yang sangat kecil, satu aras tenaga pada satu masa. Untuk berbuat demikian, gangguan daripada persekitaran perlu dikurangkan dengan amat teliti.
Pengarang ulasan di Physics, terbitan American Physical Society, menerangkan bahawa perangkap disejukkan kepada sekitar 300 millikelvin. Suhu itu hanya sedikit melebihi sifar mutlak, iaitu had bawah skala suhu.
Keadaan sejuk bukan sekadar untuk memastikan peralatan tidak panas. Ia membantu mengurangkan gangguan tenaga yang boleh mengubah keadaan zarah sebelum penyelidik sempat mengukurnya. Pada skala ini, perkara yang kecil bagi kita boleh menjadi gangguan besar kepada eksperimen.
Menangkap sahaja belum cukup
Liputan ScienceAlert menerangkan satu lagi masalah: positron daripada sumber radioaktif keluar dengan tenaga tinggi. Pasukan perlu memperlahankannya sebelum ia dapat dimasukkan ke ruang perangkap.
Dalam susunan eksperimen itu, tungsten membantu proses memperlahankan zarah. Sebahagian kecil positron kemudian dibawa masuk dalam keadaan terikat bersama elektron, dikenali sebagai positronium, sebelum medan elektrik memisahkan pasangan tersebut.
Kebanyakan percubaan tidak menghasilkan zarah yang berjaya disimpan. Kerja sebenar melibatkan kesabaran membaca isyarat yang menunjukkan satu “penghuni” kecil itu akhirnya berada di tempat yang dikehendaki. Ia bukan proses mengisi sebuah tangki dengan antimateri.
Selepas berjaya menangkapnya, pasukan masih perlu membuktikan bahawa keadaan zarah boleh diubah dan dibaca dengan terkawal. Keupayaan menyimpan untuk tempoh lama dan keupayaan membuat ukuran yang baik ialah dua pencapaian yang berkaitan, tetapi berbeza.
Apa yang mahu dibandingkan dengan elektron?
Elektron dan positron mempunyai sifat magnet yang disebut momen magnet. Anda boleh membayangkannya secara kasar seperti sifat magnet yang sangat kecil, walaupun zarah itu bukan sebenarnya sebatang magnet mini dengan bentuk yang boleh kita lihat.
Makalah Physical Review Letters menyatakan bahawa perbandingan ukuran positron dan elektron boleh menguji simetri CPT dalam sektor lepton. Dalam bahasa lebih mudah, saintis mahu memeriksa sama ada pasangan jirim dan antimateri benar-benar mematuhi hubungan yang diramalkan oleh teori.
CPT merujuk kepada gabungan perubahan cas, pembalikan ruang dan pembalikan masa. Dalam rangka teori yang digunakan ahli fizik, gabungan itu membawa jangkaan tertentu tentang sifat zarah dan pasangannya.
Ulasan American Physical Society menyebut potensi peningkatan ketepatan ukuran positron. Namun, potensi itu masih perlu direalisasikan melalui kerja pengukuran seterusnya. Menyediakan alat yang sesuai tidak bermakna keputusan akhirnya sudah diketahui.
Mengapa cerita ini sampai kepada soalan tentang alam semesta?
CERN menerangkan bahawa alam semesta yang kita lihat hari ini didominasi jirim. Antimateri jauh lebih jarang ditemui, sedangkan pemahaman tentang alam awal menimbulkan persoalan tentang bagaimana ketidakseimbangan itu terbentuk.
Soalan tersebut lebih besar daripada satu makmal atau satu ukuran. Mencari perbezaan yang sangat halus antara zarah dan antizarah ialah antara cara penyelidik menguji penjelasan asas mereka.
Ia juga tidak bermaksud satu keputusan nanti pasti akan menjawab segala-galanya. Jika ukuran sepadan dengan ramalan, teori itu lulus satu lagi ujian yang ketat. Jika ada perbezaan, saintis perlu meneliti ralat, kaedah dan penjelasan lain sebelum membuat kesimpulan besar.
Penerangan CERN tentang Model Piawai turut mengingatkan bahawa teori yang amat berjaya masih belum merangkumi semua persoalan fizik. Ketepatan eksperimen membantu menentukan bahagian mana yang benar-benar memerlukan penjelasan baharu, bukannya memilih jawapan berdasarkan tajuk yang paling dramatik.
Positron juga ada kaitan dengan teknologi yang sudah digunakan
Jika nama positron terasa asing, singkatan PET mungkin lebih biasa bagi sesetengah pembaca. PET ialah positron emission tomography, sejenis pengimejan dalam perubatan nuklear.
Menurut institut pengimejan bioperubatan Amerika Syarikat, NIBIB, pengimejan nuklear menggunakan bahan pengesan radioaktif dan kamera khas untuk menilai proses dalam badan. Dalam PET, isyarat yang berkaitan dengan penghapusan positron membantu membentuk maklumat pengimejan.
NIBIB menerangkan bahawa bahan pengesan dipilih mengikut perkara yang hendak dinilai oleh doktor. Ia membolehkan aktiviti tertentu dalam badan dikesan, bukan sekadar menunjukkan rupa organ dari luar. Maklumat daripada banyak isyarat kemudian digunakan untuk membentuk imej.
Perbezaan itu penting apabila membaca berita tentang zarah: penggunaan dalam pengimejan dan ujian sifat asas boleh melibatkan konsep fizik yang berkaitan, tetapi soalan penyelidikannya tidak sama. Satu mengumpulkan maklumat untuk tujuan perubatan, manakala satu lagi menguji sifat zarah dengan ketepatan yang sangat tinggi. Kita tidak boleh menganggap kemajuan dalam satu eksperimen terus menghasilkan perkhidmatan baharu di hospital.
Itu menunjukkan bahawa antimateri bukan semata-mata idea untuk kapal angkasa dalam filem. Namun, eksperimen Northwestern ini bukan pengumuman mesin PET baharu, rawatan baharu atau perubahan kepada kos imbasan di Malaysia. Tujuannya ialah pengukuran fizik asas.
Bagi pembaca di sini, manfaat paling dekat ialah memahami bagaimana kemajuan sains sebenarnya berlaku: alat diperhalus, gangguan dikawal dan ramalan diuji. Buat masa ini, berita besarnya ialah satu zarah dapat dijaga cukup lama untuk disoal dengan lebih teliti. Jawapannya masih sedang diusahakan.
Sources & further reading
Prepared with AI assistance from linked reporting. The cover is an AI-generated editorial illustration. Spotted something we should correct?