So last year, on the Fourth of July, experiments at the Large Hadron Collider discovered the Higgs boson. It was a historical day. There's no doubt that from now on, the Fourth of July will be remembered not as the day of the Declaration of Independence, but as the day of the discovery of the Higgs boson. Well, at least, here at CERN.
Jadi tahun lalu, pada tanggal 4 Juli, percobaan dengan Penumbuk Hadron Raksasa (LHC) menemukan partikel Higgs boson. Hari itu adalah hari yang bersejarah. Tidak diragukan lagi bahwa mulai sekarang, tanggal 4 Juli akan diingat tidak sebagai Hari Kemerdekaan (Amerika), tapi sebagai hari ditemukannya partikel Higgs boson. Setidaknya, di Badan Pusat Kajian Atom Eropa (CERN) di sini.
But for me, the biggest surprise of that day was that there was no big surprise. In the eye of a theoretical physicist, the Higgs boson is a clever explanation of how some elementary particles gain mass, but it seems a fairly unsatisfactory and incomplete solution. Too many questions are left unanswered. The Higgs boson does not share the beauty, the symmetry, the elegance, of the rest of the elementary particle world. For this reason, the majority of theoretical physicists believe that the Higgs boson could not be the full story. We were expecting new particles and new phenomena accompanying the Higgs boson. Instead, so far, the measurements coming from the LHC show no signs of new particles or unexpected phenomena.
Tapi bagi saya, kejutan terbesar pada hari itu adalah tidak adanya kejutan besar. Dari sudut pandang seorang ahli fisika teoritis, partikel Higgs boson adalah sebuah penjelasan cerdas tentang bagaimana partikel-partikel dasar mengumpulkan massa, tapi sepertinya ini merupakan jawaban yang tidak begitu memuaskan dan belum lengkap. Terlalu banyak pertanyaan yang masih belum terjawab. Partikel Higgs boson tidak memiliki keindahan, simetri, dan keelokan, yang dimiliki partikel dasar dunia lainnya. Karenanya, kebanyakan ahli fisika teoritis percaya bahwa partikel Higgs boson belum bisa menjadi kisah yang lengkap. Kami mengharapkan kemunculan partikel-partikel baru dan fenomena baru bersama dengan partikel Higgs boson. Sebagai gantinya, sejauh ini pengukuran yang berasal dari mesin LHC belum memperlihatkan tanda-tanda adanya partikel baru atau fenomena tak terduga.
Of course, the verdict is not definitive. In 2015, the LHC will almost double the energy of the colliding protons, and these more powerful collisions will allow us to explore further the particle world, and we will certainly learn much more.
Tentu saja, keputusan ini belum final. Pada tahun 2015, mesin LHC akan hampir melipat-gandakan energi proton yang bertumbukan, dan tumbukan yang lebih kuat ini akan membuat kita bisa mengeksplorasi dunia partikel lebih jauh lagi, dan sudah tentu kita akan belajar lebih banyak lagi.
But for the moment, since we have found no evidence for new phenomena, let us suppose that the particles that we know today, including the Higgs boson, are the only elementary particles in nature, even at energies much larger than what we have explored so far. Let's see where this hypothesis is going to lead us. We will find a surprising and intriguing result about our universe, and to explain my point, let me first tell you what the Higgs is about, and to do so, we have to go back to one tenth of a billionth of a second after the Big Bang. And according to the Higgs theory, at that instant, a dramatic event took place in the universe. Space-time underwent a phase transition. It was something very similar to the phase transition that occurs when water turns into ice below zero degrees. But in our case, the phase transition is not a change in the way the molecules are arranged inside the material, but is about a change of the very fabric of space-time.
Tapi untuk saat ini, karena kita belum menemukan adanya bukti fenomena baru, mari kita anggap saja bahwa partikel yang kita ketahui saat ini, termasuk partikel Higgs boson, adalah keseluruhan partikel dasar di alam, bahkan pada energi yang jauh lebih besar dari yang telah kita eksplorasi sejauh ini. Mari kita lihat kemanakah hipotesa ini akan membawa kita. Kita akan menemukan hasil yang mengejutkan dan menarik mengenai alam semesta kita, dan untuk menjelaskan maksud saya, lebih dulu saya akan memberitahu Anda mengenai partikel Higgs, dan untuk itu, kita harus kembali ke seperpuluhan miliar detik. setelah Big Bang. Dan menurut teori Higgs, pada saat itu juga, sebuah kejadian dramatis terjadi di alam semesta. Ruang dan waktu menjalani transisi fase. Sesuatu yang sangat serupa dengan transisi fase yang terjadi ketika air berubah menjadi es di bawah suhu nol derajat. Tapi dalam kasus ini, transisi fase bukanlah perubahan atas bagaimana molekul tersusun di dalam materi, tapi perubahan dari komponen dasar ruang dan waktu.
During this phase transition, empty space became filled with a substance that we now call Higgs field. And this substance may seem invisible to us, but it has a physical reality. It surrounds us all the time, just like the air we breathe in this room. And some elementary particles interact with this substance, gaining energy in the process. And this intrinsic energy is what we call the mass of a particle, and by discovering the Higgs boson, the LHC has conclusively proved that this substance is real, because it is the stuff the Higgs bosons are made of. And this, in a nutshell, is the essence of the Higgs story.
Selama transisi fase ini, ruang hampa menjadi dipenuhi oleh substansi yang sekarang kita sebut medan partikel Higgs. Dan substansi ini mungkin tidak terlihat oleh kita, tapi memiliki fisik nyata. Partikel ini mengelilingi kita sepanjang waktu, seperti halnya udara yang kita hirup dalam ruangan ini. Dan beberapa partikel dasar berinteraksi dengan substansi ini, mengumpulkan energi dalam prosesnya. Dan energi hakiki inilah yang kita sebut massa sebuah partikel, dan dengan menemukan partikel Higgs boson, mesin LHC secara meyakinkan telah membuktikan bahwa substansi ini nyata, karena inilah bahan yang membentuk partikel Higgs boson. Dan hal ini, ringkasnya, merupakan esensi dari kisah Higgs.
But this story is far more interesting than that. By studying the Higgs theory, theoretical physicists discovered, not through an experiment but with the power of mathematics, that the Higgs field does not necessarily exist only in the form that we observe today. Just like matter can exist as liquid or solid, so the Higgs field, the substance that fills all space-time, could exist in two states. Besides the known Higgs state, there could be a second state in which the Higgs field is billions and billions times denser than what we observe today, and the mere existence of another state of the Higgs field poses a potential problem. This is because, according to the laws of quantum mechanics, it is possible to have transitions between two states, even in the presence of an energy barrier separating the two states, and the phenomenon is called, quite appropriately, quantum tunneling. Because of quantum tunneling, I could disappear from this room and reappear in the next room, practically penetrating the wall. But don't expect me to actually perform the trick in front of your eyes, because the probability for me to penetrate the wall is ridiculously small. You would have to wait a really long time before it happens, but believe me, quantum tunneling is a real phenomenon, and it has been observed in many systems. For instance, the tunnel diode, a component used in electronics, works thanks to the wonders of quantum tunneling.
Tapi kisah ini jauh lebih menarik daripada hal itu. Dengan mempelajari teori Higgs, ahli fisika teoritis menemukan, bukan melalui sebuah percobaan tapi dengan menggunakan matematika, bahwa medan Higgs tidak harus mengambil bentuk yang kita ketahui saat ini. Sama halnya seperti materi yang dapat mengambil bentuk cairan atau benda padat, maka pada medan partikel Higgs, substansi yang memenuhi seluruh ruang dan waktu bisa muncul dalam dua bentuk. Di samping wujud partikel Higgs yang sudah dikenal, kemungkinan ada bentuk kedua di mana medan partikel Higgs bermilyar-milyar kali lebih padat daripada yang kita amati sekarang, dan keberadaan bentuk lain dari medan partikel Higgs saja memiliki potensi masalah. Ini karena, menurut hukum mekanika kuantum, dimungkinkan untuk bertransisi di antara dua kondisi, bahkan dengan keberadaan penghalang energi yang memisahkan dua kondisi, dan fenomena ini disebut, sebagai terowongan kuantum. Karena terowongan kuantum, saya bisa menghilang dari ruangan ini dan muncul kembali di ruang sebelah, praktis menembus dinding. Tapi jangan harapkan saya benar-benar menunjukkan trik ini di depan Anda, karena kemungkinan saya menembus dinding bahkan lebih kecil dari sangat kecil. Anda harus menunggu sangat lama sebelum hal itu terjadi, tapi percayalah, terowongan kuantum merupakan fenomena nyata, dan ini sudah diamati dalam banyak sistem. Contohnya, terowongan dioda, sebuah komponen yang digunakan dalam elektronika, yang berhasil berkat keajaiban terowongan kuantum.
But let's go back to the Higgs field. If the ultra-dense Higgs state existed, then, because of quantum tunneling, a bubble of this state could suddenly appear in a certain place of the universe at a certain time, and it is analogous to what happens when you boil water. Bubbles of vapor form inside the water, then they expand, turning liquid into gas. In the same way, a bubble of the ultra-dense Higgs state could come into existence because of quantum tunneling. The bubble would then expand at the speed of light, invading all space, and turning the Higgs field from the familiar state into a new state.
Tapi mari kita kembali pada medan partikel Higgs. Jika kondisi partikel Higgs yang ultra padat ada, maka, karena terowongan kuantum, sebuah gelembung pada kondisi ini bisa tiba-tiba muncul di tempat tertentu di alam semesta pada waktu tertentu, dan analoginya seperti apa yang terjadi saat Anda merebus air. Gelembung uap terbentuk dari dalam air, lalu gelembung ini melebar, mengubah cairan menjadi gas. Lewat cara yang sama, sebuah gelembung pada kondisi medan partikel Higgs yang ultra padat, bisa menjadi terwujud karena terowongan kuantum. Gelembung ini kemudian akan membesar dengan kecepatan cahaya, menyerbu seluruh ruang yang ada, dan mengubah medan partikel Higgs dari wujud yang sudah dikenal menjadi wujud baru.
Is this a problem? Yes, it's a big a problem. We may not realize it in ordinary life, but the intensity of the Higgs field is critical for the structure of matter. If the Higgs field were only a few times more intense, we would see atoms shrinking, neutrons decaying inside atomic nuclei, nuclei disintegrating, and hydrogen would be the only possible chemical element in the universe. And the Higgs field, in the ultra-dense Higgs state, is not just a few times more intense than today, but billions of times, and if space-time were filled by this Higgs state, all atomic matter would collapse. No molecular structures would be possible, no life.
Apakah ini sebuah masalah? Ya, ini sebuah masalah besar. Kita mungkin tidak menyadarinya dalam kehidupan sehari-hari, tapi intensitas medan partikel Higgs sangat penting bagi struktur materi. Jika medan partikel Higgs menjadi lebih kuat beberapa kali lipat saja, kita akan dapat melihat atom menciut, netron membusuk di dalam inti atom, inti atom terdisintegrasi, dan hidrogen akan menjadi satu-satunya unsur kimia yang mungkin ada di alam semesta. Dan medan partikel Higgs, dalam kondisi partikel Higgs yang ultra padat, tidak hanya menjadi beberapa kali lebih kuat dari sekarang, tapi milyaran kali, dan jika ruang dan waktu dipenuhi dengan kondisi partikel Higgs ini, seluruh atom akan hancur. Tidak mungkin lagi ada struktur molekul, tidak ada kehidupan.
So, I wonder, is it possible that in the future, the Higgs field will undergo a phase transition and, through quantum tunneling, will be transformed into this nasty, ultra-dense state? In other words, I ask myself, what is the fate of the Higgs field in our universe? And the crucial ingredient necessary to answer this question is the Higgs boson mass. And experiments at the LHC found that the mass of the Higgs boson is about 126 GeV. This is tiny when expressed in familiar units, because it's equal to something like 10 to the minus 22 grams, but it is large in particle physics units, because it is equal to the weight of an entire molecule of a DNA constituent.
Jadi, saya bertanya-tanya, apakah mungkin di masa depan, medan partikel Higgs mengalami transisi fase dan, melalui terowongan kuantum, berubah menjadi kondisi ultra padat yang amat sangat buruk ini? Dengan kata lain, saya bertanya pada diri sendiri, bagaimanakah nasib medan partikel Higgs di alam semesta kita? Dan bahan penting yang diperlukan untuk menjawab pertanyaan ini adalah massa partikel Higgs boson. Dan percobaan pada mesin LHC menemukan bahwa massa dari partikel Higgs boson adalah sekitar 126 GeV. Ini sangat kecil bila diungkapkan dalam satuan-satuan yang kita kenal, karena ini lebih kurang setara dengan 10 pangkat minus 22 gram, tapi ini besar untuk ukuran partikel fisika, karena sama dengan berat seluruh molekul dari sebuah komponen DNA.
So armed with this information from the LHC, together with some colleagues here at CERN, we computed the probability that our universe could quantum tunnel into the ultra-dense Higgs state, and we found a very intriguing result. Our calculations showed that the measured value of the Higgs boson mass is very special. It has just the right value to keep the universe hanging in an unstable situation. The Higgs field is in a wobbly configuration that has lasted so far but that will eventually collapse. So according to these calculations, we are like campers who accidentally set their tent at the edge of a cliff. And eventually, the Higgs field will undergo a phase transition and matter will collapse into itself.
Jadi dibekali dengan informasi dari LHC ini, bersama-sama dengan beberapa kolega di CERN, kami menghitung kemungkinan bahwa alam semesta kita dapat melewati terowongan kuantum menjadi kondisi medan partikel Higgs yang ultra padat, dan kami menemukan hasil yang sangat menarik. Perhitungan kami menunjukkan bahwa nilai terukur dari massa partikel Higgs boson sangat istimewa. Massanya begitu tepat untuk menjaga alam semesta tergantung dalam situasi yang tidak stabil. Medan partikel Higgs berada dalam konfigurasi yang goyah dan telah berlangsung begitu lama tapi pada suatu hari akan hancur. Jadi berdasarkan perhitungan ini, kita seperti orang-orang yang berkemah yang secara tidak sengaja memasang tendanya di bibir jurang. Dan pada akhirnya, medan partikel Higgs akan menjalani transisi fase dan materi akan hancur sendiri.
So is this how humanity is going to disappear? I don't think so. Our calculation shows that quantum tunneling of the Higgs field is not likely to occur in the next 10 to the 100 years, and this is a very long time. It's even longer than the time it takes for Italy to form a stable government.
Jadi beginikah umat manusia akan menghadapi kepunahan? Saya pikir tidak demikian. Perhitungan kami menunjukkan bahwa terowongan kuantum dari medan partikel Higgs sepertinya tidak akan terjadi dalam 10 sampai 100 tahun ke depan, dan ini merupakan waktu yang sangat lama. Bahkan lebih lama dari waktu yang diperlukan Italia untuk membentuk pemerintahan yang stabil.
(Laughter)
(Tertawa)
Even so, we will be long gone by then. In about five billion years, our sun will become a red giant, as large as the Earth's orbit, and our Earth will be kaput, and in a thousand billion years, if dark energy keeps on fueling space expansion at the present rate, you will not even be able to see as far as your toes, because everything around you expands at a rate faster than the speed of light. So it is really unlikely that we will be around to see the Higgs field collapse.
Meskipun demikian, kita sudah punah lama sebelum itu. Dalam kira-kira 5 milyar tahun, matahari kita akan menjadi bola raksasa merah, sebesar orbit planet Bumi, dan planet Bumi akan hancur, dan dalam ribuan milyar tahun, jika energi gelap terus memicu perluasan ruang pada tingkat yang sama dengan saat ini, Anda bahkan tidak akan bisa melihat jempol kaki Anda, karena semua yang ada di sekitar Anda membesar dengan kecepatan yang lebih tinggi dari kecepatan cahaya. Jadi benar-benar tidak mungkin kita akan ada untuk melihat kehancuran medan partikel Higgs.
But the reason why I am interested in the transition of the Higgs field is because I want to address the question, why is the Higgs boson mass so special? Why is it just right to keep the universe at the edge of a phase transition? Theoretical physicists always ask "why" questions. More than how a phenomenon works, theoretical physicists are always interested in why a phenomenon works in the way it works. We think that this these "why" questions can give us clues about the fundamental principles of nature. And indeed, a possible answer to my question opens up new universes, literally. It has been speculated that our universe is only a bubble in a soapy multiverse made out of a multitude of bubbles, and each bubble is a different universe with different fundamental constants and different physical laws. And in this context, you can only talk about the probability of finding a certain value of the Higgs mass. Then the key to the mystery could lie in the statistical properties of the multiverse. It would be something like what happens with sand dunes on a beach. In principle, you could imagine to find sand dunes of any slope angle in a beach, and yet, the slope angles of sand dunes are typically around 30, 35 degrees. And the reason is simple: because wind builds up the sand, gravity makes it fall. As a result, the vast majority of sand dunes have slope angles around the critical value, near to collapse. And something similar could happen for the Higgs boson mass in the multiverse. In the majority of bubble universes, the Higgs mass could be around the critical value, near to a cosmic collapse of the Higgs field, because of two competing effects, just as in the case of sand.
Tapi alasan mengapa saya tertarik akan transisi medan partikel Higgs adalah karena saya ingin menjawab pertanyaan, mengapa massa partikel Higgs boson begitu istimewa? Mengapa massanya begitu sempurna untuk menjaga alam semesta pada tepian transisi fase? Ahli fisika teoritis selalu menanyakan pertanyaan "mengapa". Lebih dari bagaimana sebuah fenomena bekerja, ahli fisika teoritis selalu tertarik akan mengapa sebuah fenomena terjadi dengan cara tertentu. Kami berpikir bahwa pertanyaan "mengapa" ini dapat memberikan petunjuk mengenai prinsip-prinsip dasar alam. Dan memang, jawaban yang mungkin atas pertanyaan saya secara harfiah membuka alam semesta baru. Sudah pernah ada dugaan bahwa alam semesta kita hanya merupakan sebuah gelembung dalam gelembung alam semesta ganda yang terdiri dari banyak gelembung, dan masing-masing gelembung merupakan alam semesta yang berbeda dengan dasar konstan yang berbeda dan hukum fisika yang berbeda. Dan dalam konteks ini, Anda hanya bisa bicara tentang kemungkinan ditemukannya nilai pasti dari massa partikel Higgs. Maka kunci dari misteri ini bisa terletak pada sifat statistik dari alam semesta ganda. Ini akan menjadi seperti yang terjadi pada bukit pasir di pantai. Pada dasarnya, Anda bisa bayangkan untuk menemukan bukit pasir dengan sudut kemiringan berapa pun di pantai, dan memang, sudut kemiringan bukit pasir biasanya berkisar 30-35 derajat. Dan alasannya sederhana: karena angin mengangkat pasir, gravitasi membuatnya jatuh. Sebagai hasilnya, sebagian besar bukit pasir mempunyai sudut kemiringan di sekitar nilai kritis, mendekati kehancuran. Dan sesuatu yang serupa bisa terjadi pada massa partikel Higgs boson di alam semesta ganda. Pada sebagian besar gelembung alam semesta, massa partikel Higgs mungkin berkisar sekitar nilai kritis, mendekati kehancuran kosmik pada medan partikel Higgs, karena dua efek yang saling bersaing seperti halnya dengan pasir.
My story does not have an end, because we still don't know the end of the story. This is science in progress, and to solve the mystery, we need more data, and hopefully, the LHC will soon add new clues to this story. Just one number, the Higgs boson mass, and yet, out of this number we learn so much. I started from a hypothesis, that the known particles are all there is in the universe, even beyond the domain explored so far. From this, we discovered that the Higgs field that permeates space-time may be standing on a knife edge, ready for cosmic collapse, and we discovered that this may be a hint that our universe is only a grain of sand in a giant beach, the multiverse.
Kisah saya tidak punya akhir, karena kita masih belum tahu akhir kisahnya. Ini merupakan ilmu pengetahuan yang masih berlangsung, dan untuk memecahkan misteri ini, kita memerlukan lebih banyak data, dan semoga saja, mesin LHC akan segera memberikan petunjuk-petunjuk baru pada kisah ini. Hanya satu angka, massa partikel Higgs boson, dan hingga kini, dari angka ini saja kita dapat belajar sangat banyak. Saya mulai dari sebuah hipotesa, bahwa partikel yang sudah diketahui adalah semua partikel yang ada di alam semesta, bahkan di luar dari yang telah dieksplorasi sejauh ini. Dari hal ini, kami menemukan bahwa medan partikel Higgs yang menembus ruang dan waktu mungkin berdiri di ujung mata pisau, siap untuk kehancuran kosmik, dan kami menemukan bahwa ini mungkin sebuah petunjuk bahwa alam semesta kita ini hanyalah sebuah butiran pasir di sebuah pantai raksasa, alam semesta ganda.
But I don't know if my hypothesis is right. That's how physics works: A single measurement can put us on the road to a new understanding of the universe or it can send us down a blind alley. But whichever it turns out to be, there is one thing I'm sure of: The journey will be full of surprises.
Tapi saya tidak tahu apakah hipotesa saya benar. Begitulah cara kerja fisika: Sebuah pengukuran bisa menempatkan kita di jalan untuk pemahaman baru mengenai alam semesta atau bisa juga mengirimkan kita turun ke lorong gelap. Tapi apapun hasilnya nanti, hanya ada satu hal yang saya yakini: Perjalanan ini akan penuh dengan kejutan.
Thank you.
Terima kasih.
(Applause)
(Tepuk tangan)