Mencumbu Dunia dengan Fisika Partikel (2/2)

Submitted by Febdian Rusydi on Tue, 2005-06-14 13:02. Physics

Pada bagian ini kita akan membahas esensi dasar dari Fisika Partikel membentuk Model Standar: Konsep Partikel Pembangun Materi dan Bagaimana Interaksinya.

Konsep Partikel Pembangun Materi

Melanjutkan cerita pencarian elemen fundamental, sekarang kita sudah bisa meletakkan konsep partikel pembangun materi. Quark sampai saat ini dipercaya sebagai satu dari dua partikel elementer ini. Quark ini memiliki 6 tipe atau flavors (dikategorikan dalam 3 famili atau generasi): up/down, charm/strange, dan top/down. Semua materi di alam semesta kita dibentuk oleh kombinasi quarks ini: kombinasi quark-anti quark membentuk meson, dan tiga kombinasi quark membentuk baryon. Baru-baru ini ditemukan bukti keberadaan lima kombinasi quark membentuk partikel, disebut jenis pentaquark. Proton dan Neutron, dua partikel subatom yang kita kenal, adalah contoh jenis baryon.

Selain quark, partikel dasar yang lainnya adalah lepton. Sebagaimana quark, lepton juga memiliki 6 tipe (juga dikelompokkan dalam 3 famili atau generasi): elektron/elektron-neutrino, muon/muon-neutrino, dan tau/tau-neutrino. Kombinasi proton-neutron-elektron membentuk atom, kombinasi atom membentuk molekul, kumpulan molekul membentuk senyawa atau campuran ataupun larutan yang secara kasat mata bisa kita lihat.

Gambar 7 – Rangkuman konsep Partikel Penyusun Materi.

Interaksi Fundamental Alam Semesta

Fenomena interaksi antar partikel dijelaskan dengan keberadaan partikel pembawa interaksi yang saling dipertukarkan oleh partikel-partikel terlibat. Perhatikan gambar 8 untuk memberi gambaran tentang partikel pembawa interaksi ini.

Gambar 8 – Dua orang dalam perahu A dan B saling melempar bola.

Apa yang terjadi ketika dua orang ini saling melempar dan menerima bola? mereka saling menjauh. Fenomena ini dijelaskan sederhana oleh Hukum III Newton Aksi-Reaksi. Interaksi antar partikel bisa dijelaskan dari fenomena yang sama: partikel A dan B berinteraksi dengan saling mempertukarkan sebuah partikel; partikel ini disebut sebagai exchange particle.

Ada empat interaksi fundemental: interaksi gravitasi (gravitational interaction), interaksi elektromagnetik (electromagnetic interaction), interaksi lemah (weak interaction), dan interaksi kuat (strong interaction). Setiap interaksi memiliki partikel pembawa interaksi khusus, yang cuma bisa bekerja spesifik pada interaksi tertentu. Kita akan bahas secara singkat satu per persatu masing-masing interaksi tersebut.

Interaksi gravitasi membuat benda jatuh ke tanah dan juga pegerakan planet dan galaksi. Makin masif benda maka makin besar dia merasakan interaksi gravitasi; karena itulah, pada skala mikrokosmik (level partikel) maka interaksi ini bisa diabaikan. Untuk jarak. makin besar jarak dua benda maka makin berkurang interaksi gravitasi bekerja. Interaksi gravitasi dijelaskan oleh Teori Relativitas Umum Einstein, yang digambarkan oleh John Wheeler (Astrofisikawan terkenal yang memperkenalkan istilah Blackhole dan Spacetime) dengan “Matter tells space how to curve, and space tells matter how to move”. Teori Relativitas Umum ini adalah teori yang paling anggun yang pernah dibuat ummat manusia, menyelaraskan matematika dan fisika dalam satu persamaan yang cantik. Partikel pembawa interaksi ini adalah graviton, eksis secara teori namun belum ditemukan sejauh ini dalam eksperimen.

Interaksi elektromagnetik menyebabkan semua fenomena menyangkut listrik dan magnetik; nyaris seluruh teknologi yang ada sekarang berdasarkan interaksi ini. Interaksi elektromagnetik dijelaskan oleh Quantum Electrodynamics (QED), dimana Richard Feynman, Julian Schwinger, dan Sin-itiro Tomonaga berbagi hadiah Nobel untuk hal ini di tahun 1965. Sejauh ini, QED adalah teori kuantum yang paling sukses yang pernah ada; kecocokannya dengan eksperimen ibarat mengukur jarak Bandung-Surabaya dengan ketelitian helaian rambut. Partikel pembawa interaksi adalah foton, atau partikel cahaya, yang dipostulatkan oleh Max Planck pada awal 1900 dan ditemukan oleh Einstein pada 1905 lewat percobaan efek fotoelektriknya. Einstein meraih Nobel pada 1922 untuk percobaannya ini.

Interaksi lemah terjadi pada skala subatomik, bertanggung jawab pada peluruhan radioaktif seperti peluruhan beta. Sheldon Glashow, Abdus Salam, dan Steven Weinberg (hadiah nobel 1979) membuat teori umum untuk interaksi lemah dan secara menakjubkan berhasil membuat teori unifikasi interaksi elektromagnetik dan weak: Electroweak Unification Theory. Trio ini juga memprediksi partike W dan Z sebagai exchange particle dalam interaksi lemah, yang kemudian ditemukan 3 tahun kemudian oleh Carlo Rubbia dan Simon van der Meer (hadiah Nobel 1984).

Interaksi kuat juga terjadi pada skala subatomik namun cuma dirasakan oleh quark. Nobel Fisika 2004 jatuh pada tema ini; Trio nobel 2004 mempublikasikan temuan mereka pada tahun 1973 perihal [i]gluon[/i] (dari kata glue atau lem) sebagai exchange particle dalam interaksi kuat. Temuan ini memulai sebuah teori baru dalam teori medan kuantum: Quantum Chromodynamic (QCD), teori khusus untuk mempelajari fenomena dalam interaksi kuat.

Gluon ini memiliki sifat yang berbeda dengan partikel pembawa interaksi lainnya, mereka bisa berinteraksi sesama mereka. Interaksi antar gluon ini berkurang ketika jarak antar quark berkurang, akibatnya interaksi antar quark berkurang. (Ini tentu berbanding terbalik dengan interaksi elektromagnetik yang kekuatan interaksinya berbanding terbalik dengan jarak antar partikel). Sebaliknya, jika jarak jarak antar quark bertambah maka interaksi antar gluon meningkat, sehingga interaksi antar quark bertambah. Ini membuat quark tidak bisa dipindahkan dari inti atom; hal ini pula-lah yang membuat proton-proton tidak saling tolak-menolak dalam inti atom walau sama-sama bermuatan positif. Sifat ini disebut “kebebasan asimptotik”.

Sifat lain dari quark ini dalam teori QCD adalah nomor kuantum “warna” – sebagaimana pelabelan spdf pada nomor kuantum elektron. Warna itu sendiri adalah identitas quark (ibarat muatan pada elektromagnetik), yang membuat quark mematuhi Larangan Pauli: tidak ada partikel yang identik berada pada level energi yang sama. Proton misalnya, terbuat dari 2 quark up dan 1 quark down, namun 2 quark up ini dipastikan memiliki warna yang berbeda. Jika tidak, maka Larangan Pauli dilanggar.

Sifat-sifat ini menjelaskan kenapa quark tidak pernah diamati sebagai partikel bebas (free particle). Keterjebakannya bersama quark yang lain disebut confinement of quark. Salah satu cara memahami confinement of quark ini disebut [i]bag model[/i]. Bayangkan para quark ini berada dalam satu tas plastik yang elastis, dimana para quarks bergerak bebas di dalamnya, selama kita tidak mencoba memisahkan mereka. Tapi ketika kita mencoba menarik satu quark keluar, tas plastik itu merenggang dan bertahan (agar tidak sobek). Ketika pemberian energi untuk memisahkan mereka makin besar, yang terjadi justru terbentuknya partikel jenis meson! Gimana, keren kan?

Gambar 9 - Ilustrasi sederhana dari confinement of quark dengan bag model.

Beberapa eksperimen sudah menunjukkan banyak kesepakatan dengan ramalan QCD, dan yang paling penting adalah ramalan teori QCD terhadap konstanta kopling (simbol: alfa).

Model Standar dan Unifikasi Semua Teori

Semua ilmu dan pemahaman Fisika Partikel ini dirangkum dalam sebuah model yang menggambarkan partikel dasar dan interaksinya: Model Standar. Sampai saat ini sudah banyak fenomena partikel yang sudah dimengerti lewat model ini. Ratusan partikel sudah diprediksi berserta sifat-sifatnya, dan banyak sekali yang cocok dengan hasil eksperimen.

Gambar 10 – Standard Model, membuat partikel baru dengan bahan, bumbu, dan resep yang sudah tersedia.
(Gambar diambil dari www.particleadventure.org)

Gambar 11 – Rangkuman Partikel Dasar dengan Partikel Pembawa Interaksi.
(Gambar diambil hasil pencarian lewat google.com)

Temuan Gross dan kawan-kawan semakin mendekatkan impian para ahli fisika teoritis seluruh dunia: membuat satu teori untuk menjelaskan 3 interaksi dasar partikel (elektromagnetik, lemah, dan kuat) yaitu Teori Unifikasi Agung (atau Grand Unified Theory, GUT).

Teori QCD, bersama-sama teori QED dan teori unifikasi Electroweak, semakin menyempurnakan Model Standar ini. Ketiga teori ini menunjukkan sebuah kemungkinan adanya satu teori bersama (GUT) pada partikel dengan energi 10E15 GeV (10 pangkat 15 GeV, 1 GeV = 10E9 eV). Angka ini adalah sangat ekstrim tinggi bahkan dilingkungan Fisika Energi Tinggi (High Energy Physics) sekalipun! Pemercerpat partikel terbaik buatan manusia hanya sanggup menghasilkan partikel dengan energi orde MeV (10E6 eV).

Namun kalkulasi ini memerlukan satu asumsi lagi: supersimetri partikel. Jika asumsi ini terbukti, maka Teori unifikasi agung ini adalah langkah terakhir untuk menyatukan interaksi terakhir, interaksi graviatasi, dalam satu teori: Theory of Everything (ToE), atau Teori Segalanya, impian Einstein semenjak 1920 yang tidak pernah dia capai sampai akhir hayatnya.

Bagaimana sih, skenario penggabungan teori interaksi tersebut? Seperti gambar 1, maka kisah kasih asmara ini juga akan ditutup dengan “2 gambar yang berbicara”

Gambar 12 – Kisah panjang teori penyatuan interaksi fundamental

Gambar 13 – Teori penyatuan interaksi fundamental dalam dalam skenario Big-bang.
(Gambar diambil dari hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase)