BISAKAH CAHAYA MEMANTUL PADA CAHAYA? — The Knowledge Frontier

Nyalakan dua senter sehingga berkasnya bersilangan: setiap berkas terus melaju seolah-olah berkas yang lain tidak ada. Inilah prinsip superposisi, inti dari optika. Prinsip ini berlaku karena persamaan-persamaan elektromagnetisme bersifat linear, dan sesuai dengan pengalaman sehari-hari.

Sejak karya Euler, Heisenberg, dan Kockel pada 1930-an, para fisikawan tahu bahwa prinsip ini tidak sepenuhnya tepat. Fisika kuantum mengisi vakum dengan fluktuasi yang berumur sangat singkat — dalam elektrodinamika kuantum, pasangan elektron dan positron virtual. Melalui pasangan-pasangan itu, cahaya dapat merasakan cahaya. Ada dua konsekuensinya: hamburan cahaya oleh cahaya (light-by-light scattering), ketika satu berkas membelokkan foton-foton dari berkas lain, dan birefringensi vakum (vacuum birefringence), ketika vakum mengubah polarisasi cahaya yang melewati medan kuat. Keduanya belum pernah dibuktikan secara eksperimental pada energi rendah, ketika foton membawa energi yang jauh lebih kecil daripada massa sebuah elektron.

Sinar-X melawan laser yang intens

Kolaborasi BIREF@HIBEF — sekitar 80 peneliti, termasuk tim-tim di Helmholtz Institute Jena dan Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf — menyiapkan tumbukan itu di European X-Ray Free-Electron Laser (laser elektron bebas sinar-X Eropa) di Schenefeld, Jerman:

pemompa (pump): laser ReLaX, pulsa inframerah-dekat selama 23 femtodetik yang membawa 4 joule, difokuskan ke sebuah titik berukuran sekitar 1,1 kali 1,4 mikrometer, hingga mencapai 7,7 × 10²¹ watt per sentimeter persegi;
penyelidik (probe): pulsa sinar-X sebesar 8,766 keV, masing-masing berisi sekitar 100 miliar foton, ditembakkan berhadapan langsung dengan pemompa.

Medan pemompa yang intens semestinya sedikit mempolarisasi vakum, dan beberapa foton sinar-X semestinya keluar dengan polarisasi yang terbalik. Bahkan dalam kondisi ideal, jumlahnya sekitar satu foton dari 10¹³ — dan foton-foton itu melaju ke arah yang sama dengan 100 miliar foton lainnya.

Diagram 3D susunan eksperimen: sebuah penghalang, lensa, cermin parabola, celah, dan pemisah berkas polarisasi pada lintasan berkas sinar-X.

Susunan medan gelap: sebuah kawat membentuk bayangan di dalam berkas sinar-X, sinyal vakum kuantum yang tercipta saat tumbukan melewati celah, dan sebuah pemisah berkas memisahkan kedua polarisasinya. — Gambar 1, Matheron, Šmíd dkk. (2026), arXiv:2611.04531.

Menyembunyikan berkas dalam bayangan

Kuncinya adalah medan gelap (dark field). Sebuah kawat tungsten yang dipoles, setebal 250 mikrometer, diletakkan di dalam berkas sinar-X sebelum berkas itu difokuskan. Kawat itu membentuk bayangan. Di titik fokus, bayangan itu lenyap; setelahnya, bayangan muncul kembali — tetapi sinyal yang tercipta oleh tumbukan menyebar ke dalamnya. Sebuah celah selebar 40 mikrometer lalu menghalangi berkas utama dan meloloskan daerah yang terbayang, dan sebuah kristal germanium memisahkan kedua polarisasi ke dua detektor penghitung foton. Hanya sekitar 4 dari satu triliun foton sinar-X dari berkas utama yang bocor ke kanal polarisasi terbalik.

Pemompa menembak pada 0,5 hertz dan penyelidik pada 10 hertz, sehingga setiap tumbukan disertai 19 tembakan acuan tanpa pemompa. Selama 2.751 tumbukan dan 52.441 tembakan acuan, kanal terbalik mencatat 0,4649 foton per tembakan dengan pemompa, dan 0,4636 tanpa pemompa: tidak ada perbedaan. Setelah latar belakangnya dikurangkan, kelebihannya adalah −0,0024 foton per tembakan, konsisten dengan nol.

Keheningan yang sepuluh miliar kali lebih bermakna

Untuk mengetahui arti keheningan itu, tim tersebut menyimulasikan seluruh eksperimen, berkas demi berkas dan lensa demi lensa, termasuk ketidaksejajaran yang terukur pada setiap tembakan. Elektrodinamika kuantum meramalkan total hanya 0,0008 foton di kanal terbalik untuk seluruh kampanye: jauh di bawah apa yang dapat dideteksi oleh rangkaian pengukuran ini.

Hasilnya adalah sebuah batas atas. Pada tingkat kepercayaan 95%, hamburan cahaya oleh cahaya paling besar 70.000 kali nilai yang diramalkan oleh elektrodinamika kuantum, pada energi tumbukan 116 elektronvolt. Sinyal lebih dari 56 foton selama 2.751 tumbukan itu pasti akan menonjol. Eksperimen-eksperimen sebelumnya pada energi rendah hanya mencapai batas yang sekitar sepuluh miliar kali lebih lemah.

Grafik batas atas hamburan cahaya oleh cahaya dari beberapa eksperimen terhadap energi tumbukan, dengan eksperimen ini jauh di bawah yang lain.

Batas atas hamburan cahaya oleh cahaya, relatif terhadap prediksi kuantum (garis merah putus-putus di angka 1): eksperimen ini, pada 70.000, dibandingkan dengan eksperimen-eksperimen energi rendah sebelumnya. — Gambar 4, Matheron, Šmíd dkk. (2026), arXiv:2611.04531.

Mempersempit jarak

Jarak sebesar 70.000 itu bukannya tak terjangkau, menurut para penulis. Menjalankan ReLaX pada 8 joule dan 1 hertz sesuai spesifikasi yang telah dipublikasikan akan memberikan sinyal 8 kali lebih banyak dalam waktu yang sama; geometri medan gelap yang terbebas dari keterbatasan fasilitas saat ini akan meningkatkan penolakan latar belakang lebih dari seribu kali; detektor yang lebih cepat akan menambah faktor sepuluh atau lebih. Bersama-sama, peningkatan-peningkatan ini semestinya memungkinkan pengamatan langsung pertama di laboratorium atas hamburan cahaya oleh cahaya — lalu mengukur dua bilangan, a dan b, yang ditetapkan elektrodinamika kuantum bagi respons vakum.