“Bagaimana materi dan energi didistribusikan?” tanya Peter Schweitzer, seorang fisikawan teoretis di University of Connecticut. “Kita tidak tahu.”
Schweitzer telah menghabiskan sebagian besar kariernya memikirkan sisi gravitasi dari proton. Secara khusus, dia tertarik pada matriks sifat-sifat proton yang disebut tensor energi-momentum. “Tensor energi-momentum tahu segala hal yang perlu diketahui tentang partikel,” katanya.
Dalam teori relativitas umum Albert Einstein, yang melemparkan daya tarik gravitasi sebagai objek yang mengikuti kurva di ruang-waktu, tensor energi-momentum memberi tahu ruang-waktu bagaimana melengkung. Ini menggambarkan, misalnya, susunan energi (atau, setara, massa)—sumber dari sebagian besar pemutar-pemutar ruang-waktu. Ini juga melacak informasi tentang bagaimana momentum didistribusikan, serta di mana akan terjadi tekanan atau ekspansi, yang juga sedikit melengkungkan ruang-waktu.
Jika kita bisa mempelajari bentuk ruang-waktu yang mengelilingi sebuah proton, fisikawan Rusia dan Amerika secara independen menemukan pada tahun 1960-an, kita bisa menyimpulkan semua sifat yang terdaftar dalam tensor energi-momentum-nya. Termasuk massa dan spin proton, yang sudah diketahui, bersama dengan susunan tekanan dan gaya-gaya proton, sifat kolektif yang disebut fisikawan sebagai “Druck term,” setelah kata untuk tekanan dalam bahasa Jerman. Istilah ini “sama pentingnya dengan massa dan spin, dan tidak ada yang tahu apa itu,” kata Schweitzer—meskipun hal ini mulai berubah.
Pada tahun 1960-an, tampaknya seolah-olah mengukur tensor energi-momentum dan menghitung Druck term akan membutuhkan eksperimen pemantulan gravitasi versi biasa: Anda melepaskan partikel berat pada proton dan biarkan keduanya bertukar graviton—partikel hipotetis yang terdiri dari gelombang gravitasi—daripada foton. Tetapi karena kelemahan gravitasi yang ekstrem, fisikawan mengharapkan pemantulan graviton terjadi 39 orde magnitude lebih jarang daripada pemantulan foton. Eksperimen tidak mungkin mendeteksi efek yang begitu lemah.
“Saya ingat membaca tentang ini ketika saya masih menjadi mahasiswa,” kata Volker Burkert, anggota tim Laboratorium Jefferson. Kesimpulannya adalah bahwa “kita mungkin tidak akan pernah bisa belajar apa-apa tentang sifat mekanik partikel.”
Eksperimen gravitasi masih tidak terbayangkan hingga saat ini. Tetapi penelitian pada akhir tahun 1990-an dan awal 2000-an oleh fisikawan Xiangdong Ji dan, bekerja secara terpisah, almarhum Maxim Polyakov mengungkapkan cara keluar.
Skema umumnya adalah sebagai berikut. Ketika Anda melepaskan sebuah elektron ringan pada sebuah proton, biasanya ia memberikan foton kepada salah satu kuark dan menyentuh. Tetapi dalam lebih sedikit dari satu miliar peristiwa, sesuatu yang istimewa terjadi. Elektron yang masuk mengirim foton. Sebuah kuark menyerapnya dan kemudian mengeluarkan foton lain sekejap kemudian. Perbedaan kunci adalah bahwa peristiwa langka ini melibatkan dua foton daripada satu—baik foton masuk maupun keluar. Perhitungan Ji dan Polyakov menunjukkan bahwa jika para ahli eksperimen bisa mengumpulkan elektron, proton, dan foton yang dihasilkan, mereka bisa menyimpulkan dari energi dan momentum partikel-partikel ini apa yang terjadi dengan kedua foton tersebut. Dan eksperimen dua-foton itu akan secara esensial sama informatifnya dengan eksperimen pemantulan graviton yang tidak mungkin.