Setiap tanggal 31 Oktober, komunitas ilmiah global memperingati Dark Matter Day sebagai bentuk apresiasi terhadap upaya memahami dua komponen misterius alam semesta: dark matter dan dark energy. Meski tidak dapat diamati secara langsung, keberadaan keduanya diketahui melalui efek gravitasinya terhadap galaksi dan struktur kosmik, serta percepatan ekspansi alam semesta.

Dark matter diperkirakan menyusun sekitar 27% dari total massa-energi alam semesta. Ia tidak memancarkan cahaya, tidak berinteraksi secara elektromagnetik, namun keberadaannya dapat ditelusuri melalui pengaruh gravitasinya. Sementara itu, dark energy menyusun sekitar 68% dari alam semesta dan bertanggung jawab atas fenomena accelerating universe—pengembangan alam semesta yang semakin cepat.

🔬 Kontribusi Komunitas Fisika ITB

Observasi Dark Matter. Dalam aspek eksperimen, Prof. Mitra Djamal dari Kelompok Keilmuan Fisika Instrumentasi dan Komputasi terlibat dalam kolaborasi internasional COSINE-100, eksperimen deteksi langsung dark matter berbasis kristal NaI(Tl) bermassa 106 kg di Yangyang Underground Laboratory, Korea Selatan. Dalam publikasi di Physical Review Letters (2019), tim COSINE-100 melaporkan pencarian pertama untuk inelastic boosted dark matter (IBDM) menggunakan data 59,5 hari. Studi ini menetapkan batas baru interaksi IBDM dan menjelajahi wilayah parameter dark photon yang belum diuji eksperimen lain. Artikel lain di Science Advances memanfaatkan 1,7 tahun data COSINE-100 untuk menguji klaim DAMA. Dengan pemilihan event yang lebih baik dan pemodelan latar yang presisi, hasilnya menolak interpretasi sinyal DAMA dalam kerangka standard halo model.

Selain publikasi internasional, kontribusi mahasiswa juga signifikan. Hafizh Prihtiadi (2019) menyelesaikan disertasi berjudul: “Design of Muon Detector Based on Plastic Scintillator for the COSINE-100 Dark Matter Experiment”, di bawah bimbingan Prof. Mitra Djamal dan Dr. Maman Budiman, yang berfokus pada desain sistem detektor muon untuk menekan latar kosmik. Berita mengenai kontribusi Prof. Mitra Djamal juga telah dimuat di website itb.

Teori untuk Dark Matter. Dalam aspek teoretis, Prof. Bobby E. Gunara dari Kelompok Keilmuan Fisika Teoretik Energi Tinggi bersama timnya dalam artikel di European Physical Journal C (Q1) telah mengkaji pemodelan dark matter serta metode pencarian metode pencarian dark sector di collider. Penelitian berfokus pada proses Darkstrahlung, yaitu radiasi boson gauge baru oleh dark matter yang menghasilkan resonansi dilepton. Studi ini menekankan potensi final state berupa dilepton + missing transverse energy untuk mendeteksi proses tersebut. Pendekatan dilakukan dengan recasting pencarian ATLAS Run 2 untuk resonansi dilepton dengan missing energy, serta analisis ATLAS dan CMS untuk slepton. Hasilnya menunjukkan batas kuat pada kopling antara dark matter dan boson gauge. Penelitian juga mengusulkan strategi pencarian yang lebih ketat, termasuk pemotongan pada massa invarian dilepton dan missing energy yang lebih tinggi, yang meningkatkan sensitivitas hingga 6 kali lipat di wilayah massa rendah.

Teori untuk Dark Energy dan Accelerating Universe. Kajian mengenai aspek teoretis dari dua topik terdepan dalam bidang kosmologi itu telah banyak dilakukan oleh komunitas Fisika ITB, terutama dari KK Fisika Teoretik Energi Tinggi. Kerangka utama dalam kajian mengenai kosmologi adalah Teori Relativitas Umum Einstein (ada kuliahnya lho di Fisika: FI3111 Teori Relativitas Umum untuk tingkat Sarjana dan FI5211 Relativitas Umum Lanjut untuk tingkat Magister). Persamaan sentral dalam TRU adalah persamaan medan Einstein, yang ruas kirinya menyatakan aspek geometri dari ruangwaktu dan ruas kanannya mendeskripsikan distribusi materi. Terdapat dua pendekatan untuk menjelaskan percepatan pengembangan alam semesta, yaitu modifikasi ruas kiri dari persamaan Einstein (disebut pendekatan modified gravity) dan modifikasi ruas kanan (modified matter). Modifikasi dari teori Einstein juga dapat dilakukan dengan meninjau dimensi ekstra, alih-alih empat dimensi seperti pada TRU standar.

Salah satu model yang menarik adalah kajian mengenai dark matter yang berinteraksi dengan dark energy berupa medan skalar. Studi ini meneliti evolusi kosmologis model interaksi melalui pelanggaran Lorentz, menunjukkan bahwa dinamika titik kritis dikendalikan oleh dua parameter, memungkinkan fase phantom, variasi konstanta gravitasi, dan kesesuaian dengan model ΛCDM serta quintessence.

📚 Daftar Singkat Kontribusi Fisika ITB dalam Topik Dark Matter dan Dark Energy

1. Publikasi Eksperimen (Dark Matter)

• Strong constraints from COSINE-100 on the DAMA dark matter results using the same sodium iodide target — Science Advances (Q1), 2021, DOI: 10.1126/sciadv.abk2699, Authors: Mitra Djamal, et. al. .
• First Direct Search for Inelastic Boosted Dark Matter with COSINE-100 — Physical Review Letters (Q1), 2019, DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.131802, Authors: Mitra Djamal, et. al.
• Background modeling for dark matter search with 1.7 years of COSINE-100 data — European Physical Journal C (Q1), 2021, DOI: 10.1140/epjc/s10052-021-09564-0, Authors: Mitra Djamal, et. al. .
• Lowering the energy threshold in COSINE-100 dark matter searches — Astroparticle Physics (Q2), 2021, DOI: 10.1016/j.astropartphys.2021.102581, Authors: Mitra Djamal, et. al. .
• Identification of new isomers in ²²⁸Ac: impact on dark matter searches — European Physical Journal C (Q1), 2021, DOI: 10.1140/epjc/s10052-021-09473-2, Authors: Mitra Djamal, et. al.

2. Publikasi Teoretik (Dark Matter, Dark Energy, Accelerating Universe)

• Cosmological evolution of interacting dark energy in Lorentz violation, Eur. Phys. J. C 63, 477–490 (2009). (Q1) https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-009-1104-1. Authors: Freddy P. Zen, Arianto, Bobby E. Gunara, Triyanta & A. Purwanto
• Cosmic inflation from fluctuating baby-Skyrme brane, Annals of Physics 469 (2024) 169766. (Q1), https://doi.org/10.1016/j.aop.2024.169766, Authors: E. S. Fadhilla, B. E. Gunara, A. Suroso, and A. N. Atmaja.
• Search for Z’ radiating from the dark matter at the LHC — European Physical Journal C (Q1), 2024, https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-024-13269-5, Authors: A. Ferdiyan, R. Primulando, Q. M. B. Soesanto, B. Dirgantara, B. E. Gunara
• Some Cosmological Consequences of Higher Dimensional Klein-Gordon-Rastall Theory — European Physical Journal C (Q1), 2023, https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-023-12174-7, Authors: T. A. Widianto, A. K. Falah, A. Suroso, H. Alatas, B. E. Gunara
• Higher-dimensional minimal theory of mass-varying massive gravity and its cosmological consequences — Physical Review D (Q1), 2021, DOI: 10.1103/PhysRevD.104.084013, Authors: A. K. Falah, A. O. Latief, H. Alatas, B. E. Gunara
• Cosmological model with nonminimal derivative coupling of scalar fields in five dimensions — General Relativity and Gravitation (Q1), 2013, DOI: 10.1007/s10714-013-1500-6, Authors: Agus Suroso, Freddy Permana Zen
• An Interacting Dark Energy Model with Nonminimal Derivative Coupling in the Parameterized Post-Friedmannian Framework — Indonesian Journal of Physics, 2022, https://doi.org/10.5614/itb.ijp.2022.33.2.1, Authors: A. Widiyani, A. Sutiono, A. Suroso.

[AU]