Mencumbu Dunia dengan Fisika Partikel (1/2)

Submitted by Febdian Rusydi on Tue, 2005-06-14 12:37. Physics

Ini adalah bagian 1 dari 2 - Klik di sini untuk membuka Bagian 2
(Klik gambar untuk memperbesar)

Hadiah Nobel untuk tahun 2004 baru saja diumumkan Selasa lalu tanggal 5 Oktober 2004 di Stockholm ibukota Swedia. Pemenangnya adalah 3 orang fisikawan dari Amerika berbagi hadiah uang satu juta Swedia kronor (sekitar 1,3 juta dolar AS). Mereka adalah: David Gross (63 tahun, Kavli Institute for Theoretical Physics, University of California, Santa Barbara, CA, USA); David Politzer (53 tahun, California Institute of Technology Pasadena, CA, USA); dan Frank Wilczek (53 tahun, Massachusetts Institute of Technology Cambridge, MA, USA). Mereka berhasil menerangkan bagaimana interaksi dasar antar partikel penyusun materi (quark) berinteraksi satu sama lain dalam strong interaction.

Entah kebetulan atau memang kami sudah mendapatkan feeling, pada Minggu 26 September 04 yang lalu saya memilih topik Fisika Partikel dalam Kuliah Umum bersama teman-teman deGromiest di kota Groningen Belanda. Topik ini membahas cukup detil perihal partikel penyusun materi dan interaksinya, yang menjadi topik pemenang Nobel Fisika tahun ini. Materi kuliah umum gpmps itu sendiri terpaksa telat dirilis tergeser oleh prioritas kesibukan yang lain.

Baiklah, pada bagian 1/2 in saya akan mengajak kita semua bertemu dengan Fisika Partikel, yang saya kenal Ramadhan tahun lalu. Perkenalan yang menggetarkan dawai asmara dan melahirkan cinta pertama saya pada dunia kuantum.

Apa itu Fisika Partikel

Fisika Partikel adalah fenomena alam yang terjadi pada level subatomik. Objektif dari Fisika Partikel adalah mencari jawaban atas dua pertanyaan kunci:

1. Apa elemen fundamental dari material, dan
2. bagaimana mereka berinteraksi. Ilmu dan pemahamanan ini kemudian disimpulkan dalam sebuah Model Standar (Standard Model).

Untuk memberikan gambaran apa yang kita bicarakan, mari tengok 2 ilustrasi berikut. Kita tidak akan mendiskusikannya secara spesifik di sini, karena saya yakin kita semua sudah bisa membaca banyak hal dari gambar-gambar tersebut.

Gambar 1 – Daerah Jarak dan Energi dari berbagai ilmu pengetahuan kita.

Pencarian Elemen Fundamental: dari Atom sampai ke Quark

Elemen fundamental didefenisikan seabgai elemen dasar penyusun alam semesta, disebut juga elementary particle atau building block particle karena kombinasi partikel inilah materi tersusun. Ini ibarat batu bata yang menyusun rumah.

Sejak jaman dahulu orang-orang sudah memikirkan perihal elemen fundamental ini. Orang sempat berpikir bahwa air, api, tanah, dan udara adalah element fundamental yang membangun alam semesta. Beberapa aliran malah menambahkan dengan elemen kematian dan kehidupan.

Namun tentu saja hal diatas adalah mitos belaka. Api jelas adalah bentuk energi, sementara air, tanah, dan udara adalah materi itu sendiri. Kematian dan kehidupan adalah diluar konteks fisika sebagai salah satu disiplin ilmu sains. Walau demikian, ide dari pencarian elemen fundamental itu adalah sebuah hal yang jenius yang patut dicermati dan diseriusi.

Jadi, apa dong element fundamental alam semesta ini?

Feynman, seorang pemain drum tradisional yang diganjar hadiah Nobel 1965 karena kecintaannya bermain-main dengan Fisika, pernah berseloroh dihadapan para mahasiswa tingkat 1 Caltech:

Jika seandainya kehancuran dahsyat pada peradapan & pengetahuan manusia, dan cuma hanya 1 kalimat pendek yang bisa diwariskan ke generasi selanjutnya… Apakah kalimat pendek yang paling informatif itu? Jawaban: Teori atom, bahwa materi terbentuk oleh atom-atom!

Feyman sama sekali tidak salah. Pengetahuan bahwa materi tersusun oleh atom-atom akan memudahan generasi berikutnya yang kehilangan semua arsip-arsip ilmu kita untuk segera tanggap: bahwa untuk memahami sifat-sifat materi tersebut secara lengkap maka harus dipelajari interaksi antar atom yang menyusunnya. Dengan demikian, teknologi yang hancur bisa dipulihkan dalam waktu relatif lebih singkat ketimbang 100 tahun lebih evolusi komputer menjadi sebuah mesin handal seperti yang kita punya sekarang.

Namun sayangnya, Atom itu bukanlah elemen fundamental. Teori Atom pertama kali disimpulkan oleh John Dalton pada tahun 1803:

1. Semua materi dibentuk oleh partikel yang tak bisa lagi diurai disebut atom,
2. Atom-atom pada unsur tertentu memiliki karakter dan berat yang unik, dan
3. Tiga tipe atom eksis: unsur, molekul sederhana, dan molekul komplek. Teori ini merubah wajah fisika, ilmu kimia seakan-akan terasa hampir sempurna saat itu.

Pernyataan pertama dari teori ini cuma bertahan 1 generasi, setelah J. J. Thomson pada tahun 1897 berhasil menguraikan partikel lain dari atom sebagai partikel bebas. Partikel itu kelak disebut elektron, elemen fundamental pertama yang ditemukan makhluk bernama manusia.

Pandangan atom sebagai partikel titik runtuh. Fisikawan kemudian memulai mereka-reka model atom. Mulanya Thomson mengajukan model atom, bahwa atom terdiri dari elektron, yang saat itu sudah diketahui bermuatan negatif lewat percobaan tetesan minyak (drop method) pada 1910, dan partikel positif lainnya dengan jumlah yang sama dan terdistribusi merata sehingga muatannya netral. Thomson tidak menjelaskan posisi dan pergerakan partikel-partikel itu, sehingga dengan gampang dianologikan seperti roti tawar dengan kismisnya.

Rutherford, yang sukses menemukan inti atom lewat percobaan scattering-nya pada 1911 (scattering method ini kemudian menjadi metoda kunci penemuan partikel-partikel lain), mengajukan model lain lagi: bahwa atom terdiri dari inti (muatan positif – yang disebut proton) dan elektron (negatif) yang mengorbit mengelilingi inti. Model ini diperbaiki lagi setelah Chadwick menemukan neutron (muatan netral) pada 1932. Gambar 2 menunjukkan model atom klasik Rutherford.

Gambar 2 - model atom klasik, kalau kamu masih percaya atom kayak gini berarti kamu tertinggal 100 tahun di belakang!!!
(Gambar diambil hasil pencarian lewat google.com)

Tentu saja model ini banyak sekali kelemahannya. Yang paling fatal adalah tidak adanya penjelasan kenapa elektron tidak jatuh ke inti karena pengaruh gaya gravitasi dan gaya coloumb (muatan positif dan negatif akan tarik-menarik).

Pada 1913 Bohr datang sebagai pahlawan, memperbaiki model atom Rutherford dengan memakai teori kuantum Planck; dia mengkuantisasi energi dan angular momentum elektron sehingga masalah-masalah model atom sebelumnya terjawab.

Gambar 3 – Teori atom Bohr: Elektron mengorbit mengelilingi inti pada lintasan tertentu, dengan memungkinkan elektron pindah lintasan. Perpindahan ini melibatkan energi yang dibawa oleh photon; pindah ke lintasan dalam mengeluarkan photon, ke lintasan luar membutuhkan photon.
(Gambar diambil hasil pencarian lewat google.com)

Teori atom Bohr ini adalah kesuksesan pertama teori kuantum, namun bukan tanpa kelemahan. Model yang mirip sistem tata surya kita ini sebenarnya tidak menggambarkan pergerakan elektron sesunggunya. Setelah melibatkan teori ketidakpastian Heisenberg dan Larangan Pauli, model atom yang kita kenal sekarang lebih rumit dan kompleks. Gambar 4 adalah contoh model atom Hidrogen. (Penjelasan lanjut perihal model atom ini insyaallah akan kita bahas suatu saat khusus ketika bicara tentang mekanika kuantum).

Gambar 4 – Model atom Hidrogen, dengan melibatkan bilangan kuantum spdf.
(Gambar diambil hasil pencarian lewat google.com)

Kepercayaan pada elemen fundamental adalah proton – neutron – elektron digoyang oleh hasil pekerjaan dua orang teoritis Murray Gell-mann dan George Zweig pada tahun 1964. Berdasarkan kalkulasi yang mengerikan, mereka sampai pada kesimpulan bahwa elemen fundamental ini adalah quark. Ratusan partikel-partikel yang teramati pada banyak ekperimen dapat dijelaskan sebagai kombinasi quark ini: quark-anti quark membentuk jenis Meson, 3 quark membentuk Baryon. (Anti quark adalah anti partikel, anti partikel sendiri akan kita bahas nanti). Gell-mann mendapat hadiah Nobel tahun 1969 atas prestasi gemilangnya membuat klasifikasi elemen fundamental.

Memakai metoda scattering, para eksperimental berhasil mendapatkan bukti keberadaan quark ini. Gambar 5 memberikan ide pada kita perbandingan ukuran partikel subatomic.

Gambar 5 – perbandingan quark dan elektron sebagai building block kita.
(Gambar diambil dari www.particleadventure.org)

Keberadaan Anti Partikel

Dimulai ketika seorang fisikawan jenius bernama Paul Dirac berhasil mengawinkan teori relativitas khusus dengan mekanika kuantum. Persamaannya yang dipublikasikan pada tahun 1928 ini ini adalah perbaikan persamaan Schrodinger yang tidak bisa dipakai untuk kasus relativisik. Kasus relativistik adalah kecepatan yang terlibat mendekati kecepatan cahaya. Elektron misalnya, pada kenyataannya bergerak mendekati kecepatan cahaya.

Keberhasilan Persamaan Dirac menjelaskan keberadaan elektron mengguncang dunia. Dirac meramalkan beberapa hal perihal partikel, dan salah satunya keberadaan anti partikel.

Dipostulatkan bahwa setiap partikel memiliki anti partikel, memiliki sifat yang sama kecuali muatannya berbeda. Misalnya positron adalah anti partikel dari elektron, memiliki massa, ukuran, mematuhi semua hukum konservasi yang juga dipatuhi elektron, namun muatannya adalah positif.

Apa yang terjadi apa bila partikel bertemu dengan anti partikelnya? Inilah yang disebut proses annihiliation: partikel + Anti partikel –> Energi. Energi ini biasanya dibawa oleh partikel khusus (partikel ini adalah exchange particle untuk masing-masing interaksi – dibahas pada BAGIAN 2/2), misalnya dalam contoh elektron + positron –> photon (disebut juga pair annihilation). Sesuai hukum kekekalan energi, maka photon ini juga akan bisa menghasilkan elektron + postiron (disebut pair production).

Keberadaan anti partikel itu pertama kali dibuktikan oleh Carl Anderson pada tahun 1932 di Fermilab, Chicago Amerika Serikat. Anderson menembakkan partikel bermuatan ke dalam bubble chamber yang berisi superheated liquid dan dikelilingi medan magnet; sehingga partikel tersebut akan meninggalkan jejak pada uap cairan tersebut, dan akan berbelok karena pengaruh medan magnet. Arah belok partikel selalu berlawanan arah dengan anti partikelnya.

Gambar 6 – Bukti keberadaan anti partikel.
(Gambar diambil dari www.particleadventure.org)

Carl Anderson meraih penghargaan Nobel pada tahun 1936 atas sumbangannya itu.

Teknik Bubble Chamber dipakai Carl Anderson dan scattering oleh Rutherford telah menghasilkan penemuan banyak partikel-partikel baru. (Dan partikel-partikel ini bisa dijelaskan oleh kombinasi quark oleh Gell-mann)

Pada awal penciptaan alam semesta, jumlah partikel dengan anti partikelnya adalah sama, mereka berada dalam keadaan setimbang. Sekarang, jumlah anti partikel jauh lebih sedikit daripada partikelnya. Inilah yang disebut dengan “matter – anti matter problem”. Kenapa? Ya, kenapa ya? Ini adalah salah satu misteri serius yang membuat fisikawan (terutama astrofisis) ga bisa hidup tenang, tapi di sisi lain menjadi lahan buat cari nasi.