Axion Sebagai Partikel Kandidat Dark Matter yang Plausible
Materi gelap atau dark matter (DM) telah menjadi topik kajian yang menarik sejak keberadaannya pertama kali diusulkan oleh Zwicky pada 1933, ketika ia mempelajari redshift dari berbagai cluster galaksi. Pengamatan skala kosmologis telah memberi batasan untuk kelimpahan fraksi DM di alam semesta dan juga sifat-sifatnya sehingga berbagai partikel telah diusulkan sebagai kandidat DM (artikel terkait DM, bukti keberadaan, sifat, dan kandidatnya dapat dibaca di sini). Salah satu kandidat yang menarik untuk dipelajari dan merupakan kandidat yang plausible adalah axion, yaitu partikel hipotetis yang keberadaannya pertama kali dipostulatkan untuk penyelesaian strong CP problem pada quantum chromodynamics (QCD) — teori dalam fisika partikel yang mendeskripsikan interaksi dari gaya nuklir kuat (strong nuclear force) antarkuark pada inti atom.
Strong CP problem muncul karena QCD tetap mempertahankan simetri charge dan parity (CP-symmetry), yaitu simetri yang menyatakan bahwa hukum fisika harus berlaku sama, jika interaksi antarpartikel ditukar dengan antipartikel, sekaligus koordinat spasialnya dibalik (mirror). Pada strong force, CP-violation atau pelanggaran CP-symmetry, yakni CP-symmetry secara spontan rusak (spontaneously broken), semestinya boleh terjadi. Namun, QCD malah tetap mempertahankan CP-symmetry sehingga menjadi masalah yang dikenal sebagai strong CP problem karena tidak ada alasan yang dapat menjelaskannya. Beberapa solusi diusulkan untuk menyelesaikan masalah tersebut dan salah satu yang paling populer adalah mekanisme Peccei-Quinn. Mekanisme ini memperkenalkan simetri global baru U(1) dan medan skalar yang dapat mengalami spontaneously broken. Simetri tersebut kemudian dikenal sebagai simetri Peccei-Quinn (PQ-symmetry).
Interaksi strong force di bawah PQ-symmetry menyebabkan munculnya partikel boson pseudo-Nambu-Goldstone, yaitu axion. Secara khusus, axion ini disebut sebagai QCD axion, yaitu partikel yang muncul pada penyelesaian strong CP problem. Adapun, partikel yang serupa dengan QCD axion, tetapi tidak dapat menyelesaikan strong CP problem disebut sebagai axion-like particles (ALPs). Keduanya dikandidatkan sebagai DM.
Axion (merujuk pada QCD axion ataupun ALPs) yang diproduksi pada alam semesta dini merupakan partikel ringan pada rentang massa μeV-MeV dan dinyatakan sebagai mₐ ≃ eV (10⁷ GeV / fₐ) dengan fₐ adalah axion decay constant. Axion dapat ter-coupling dengan foton (axion-photon coupling, gₐᵧᵧ) melalui interaksi yang sangat lemah dengan dimediasi oleh kuark dan lepton, sebanding dengan fₐ⁻¹. Sifatnya yang metastable menyebabkan axion dapat meluruh (decay) menjadi dua foton (axion-photon conversion, a → γγ) dengan masa hidup (lifetime) bergantung pada massa mₐ. Oleh karena itu, deteksi axion dilakukan dengan mengamati efek axion-photon coupling dan conversion, baik melalui eksperimen di laboratorium maupun pengamatan kosmologis.
Beberapa contoh eksperimen laboratorium yang dilakukan untuk mendeteksi axion-photon conversion adalah CERN Axion Solar Telescope (CAST), Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Axion Dark Matter Experiment (ADMX), Magnetized Disk and Mirror Axion Experiment (MADMAX), dan Dark Matter Axion Search with Ring Cavity Experiment (DANCE). Umumnya, deteksi di laboratorium dilakukan pada rentang massa axion tertentu dan hasilnya berupa batas (limit) gₐᵧᵧ pada rentang yang diamati. Sedangkan, deteksi foton melalui observasi, terutama foton berenergi tinggi yang datang dari objek-objek tertentu, dilakukan untuk mengetahui apakah foton tersebut berasal dari axion yang terkonversi. Berikut metode yang telah dilakukan untuk mempelajari dan mendeteksi axion.
1. Haloscopes
Haloscopes bertujuan mendeteksi DM axion di daerah halo galaksi berupa axion-photon conversion yang memiliki frekuensi v = mₐ / 2π = 0,24 GHz (mₐ / μeV). Sistem haloscope yang digunakan dapat terbagi menjadi dua, yaitu sistem optik yang mengonversi axion menjadi foton dan sistem rantai penerima (receiver chain) yang mampu mendeteksi foton yang telah terkonversi. Keduanya terhubung oleh lossless, yakni garis transmisi. Contoh eksperimen yang menggunakan haloscopes untuk mencari DM axion adalah Axion Dark Matter Experiment (ADMX) yang mencari axion pada rentang massa 2,81–3,31 μeV dan Magnetized Disk and Mirror Axion Experiment (MADMAX) yang mencari axion pada rentang massa 40–400 μeV.
2. Helioscopes
Medan magnet pada bintang memungkinkan axion dapat diproduksi melalui axion-photon conversion dan Matahari adalah bintang terdekat yang dapat menjadi sumber keberadaan axion. Sistem helioscope terdiri dari magnet superconducting, detektor sinar-X, dan mounting altazimuth untuk mengarahkan helioscope ke Matahari. Implementasi teknik helioscope yang pertama kali adalah eksperimen Rochester-Brookhaven-Florida dan saat ini helioscope dengan sensitivitas terbaik dimiliki oleh CERN Axion Solar Telescope (CAST). CAST menggunakan prototipe magnet dari Large Hadron Collider (LHC) dan merupakan eksperimen yang pertama kali menerapkan sistem perangkat pemfokus sinar-X di depan detektor kamera CCD sehingga sensitivitas instrumen meningkat.
3. Light-shining-through-wall (LSW)
Eksperimen LSW di laboratorium bertujuan memproduksi sekaligus mendeteksi ultralight bosonic dark matter (UBDM), salah satunya axion, yang dilakukan dengan menembakkan foton berenergi tinggi di sepanjang medan magnet. Medan magnet memungkinkan foton terkonversi menjadi axion menuju dinding pemblokiran (blocking wall) dan axion kemudian akan terkonversi menjadi foton lagi melalui medan magnet juga (regenerasi foton). Saat ini, batas sensitivitas terbaik untuk eksperimen LSW diraih oleh eksperimen Any Light Particle Search (ALPS I) pada Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). Peningkatan sensitivitas terus dilakukan dengan eksperimen lanjutan ALPS II yang diharapkan mampu mendeteksi gₐᵧᵧ < 2(10⁻¹¹) GeV⁻¹ untuk massa di bawah 0,1 meV.
Deteksi melalui eksperimen di laboratorium pada dasarnya dilakukan dengan memproduksi sekaligus mendeteksi interaksi axion–foton dengan memanfaatkan medan magnet eksternal. Sejauh ini, deteksi banyak difokuskan pada interaksi axion yang mungkin dapat terjadi dengan partikel seperti foton dan elektron karena konstrain interaksi DM sangat penting untuk pengembangan model DM serta pengembangan detektor pengamatan. Kemudian, interaksi yang paling mungkin terjadi sejauh ini didasarkan pada efek Primakoff, yaitu konversi axion menjadi foton (dan sebaliknya) di dalam medan magnet. Perbaikan dapat dilakukan dengan meningkatkan kekuatan medan magnet dan sensitivitas detektor foton.
Adapun, deteksi axion dilakukan melalui pengamatan berbagai objek astrofisis terutama pada objek penghasil foton berenergi tinggi atau very high-energy (VHE) photon, seperti deteksi sinyal radio dari magnetosfer bintang neutron, polarisasi magnetik bintang katai putih atau magnetic white dwarf polarization (MWDP), globular cluster, peredupan (dimming) Supernova (SNe) Ia 1998, pengamatan pada gamma-ray burst (GRB), Quasi Stellar Objects (QSOs), radio-galaxy, dan blazar, serta pengamatan yang masih menjadi hipotesis pada primordial black holes (PBHs) dan kemungkinan adanya ledakan pada bintang axion (axion star explosion).
Dari berbagai eksperimen laboratorium dan pengamatan yang telah dilakukan, memang hingga kini belum ada yang mengkonfirmasi keberadaan axion, tetapi eksperimen dan pengamatan dapat saling melengkapi konstrain parameternya. Deteksi axion di masa depan akan menjadi tantangan dalam menggunakan instrumen yang sensitivitasnya jauh lebih baik dan harapannya dapat meningkatkan konstrain parameter axion, membuktikan keberadaannya, atau bahkan memberi petunjuk keberadaan partikel DM lain.
Penulis: Robiah Oktiavi (10319047)
Penyunting: Divisi Keprofesian Himastron ITB
Referensi
Asztalos, S. J., Bradley, R. F., Duffy, L., dkk. (2004). Improved rf cavity search for halo axions. Physical Review D, 69(1), 011101. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.69.011101
Collar, J. I., Andriamonje, S., Arik, E., dkk. (2003). CAST: A search for solar axions at CERN. https://doi.org/10.48550/arXiv.hep-ex/0304024
Egge, J. (2022). Axion haloscope signal power from reciprocity. https://doi.org/10.48550/arXiv.2211.11503
Ehret, K. (2010). The ALPS Light Shining Through a Wall Experiment — WISP Search in the Laboratory. https://doi.org/10.48550/arXiv.1006.5741
Hook, A. (2019). TASI Lectures on the Strong CP Problem and Axions. In T. DeGrand, T. Plehn, & T. Slatyer (Eds.), Theoretical Advanced Study Institute Summer School 2018 “Theory in an Era of Data”. https://doi.org/10.22323/1.333.0004
Kuster, M., Raffelt, G., & Beltrán, B. (Eds.). (2008). Axions: theory, cosmology, and experimental searches. Springer Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-540-73518-2
Marsh, D. J. E. (2016). Axion cosmology. Physics Reports, 643, 1–79. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.06.005
Minowa, M., Moriyama, S., Inoue, Y., dkk. (1999). The Tokyo axion helioscope experiment. Nuclear Physics B — Proceedings Supplements, 72, 171–175. https://doi.org/10.1016/S0920-5632(98)00520-9
Spector, A. D. (2023). Light-Shining-Through-Walls Experiments. In D. F. J. Kimball & K. van Bibber (Eds.), The Search for Ultralight Bosonic Dark Matter (pp. 255–279). Springer Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-95852-7_9
Rujukan literatur lanjutan
[a] CAST Collaboration. (2017). New CAST limit on the axion-photon interaction. Nature Physics, 13, 584–590. https://doi.org/10.1038/nphys4109
[b] Andriamonje, S., Aune, S., Autiero, D., dkk. (2007). An improved limit on the axion-photon coupling from the CAST experiment. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2007(4), 010. https://doi.org/10.1088/1475-7516/2007/04/010
[c] Isleif, K. & ALPS Collaboration. (2022). The Any Light Particle Search Experiment at DESY. Moscow University Physics Bulletin, 77, 120–125. https://doi.org/10.3103/S002713492202045X
[d] Braine, T., Cervantes, R., Crisosto, N., dkk. (2020). Extended Search for the Invisible Axion with the Axion Dark Matter Experiment. Physical Review Letters, 124(10), 101303. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.101303
[e] MADMAX Collaboration, Brun, P., Caldwell, dkk. (2019). A new experimental approach to probe QCD axion dark matter in the mass range above 40 μeV. The European Physical Journal C, 79, 186. https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-019-6683-x
[f] Oshima, Y., Fujimoto, H., Ando, M., dkk. (2023). First Results of Axion Dark Matter Search with DANCE. https://doi.org/10.48550/arXiv.2303.03594
