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 Acuan (Standard Model).
Daerah jarak kerja Fisika Partikel sangat kecil, dalam orde fm (femto meter, 1 fm = 10E-15 m atau sepuluh pangat minus lima belas meter). Ini adalah skala subatomik. Sebaliknya, daerah energi kerja Fisika Partikel sangat besar, dalam orde 10E15 eV. Sebagai pembanding, jarak kerja ilmu material dalam orde amstrong (1A = 10E-10 m), dengan energi kerja order 10E-5 eV.
Pencarian Partikel Pembangun Materi: dari Atom ke Quark
Elemen fundamental didefenisikan sebagai elemen dasar penyusun alam semesta, disebut juga partikel dasar atau partikel pembangun materi karena kombinasi partikel inilah materi tersusun. Dalam perhitungan para teoritis, partikel dasar ini dipandang sebagai partikel titik.
Kepentingan untuk mengetahui partikel ini tergambar dalam kuliah Richard Feynman (Nobelis 1965) di hadapan para mahasiswanya:
Å«ika 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 memudahkan generasi berikutnya untuk cepat tanggap: bahwa untuk memahami sifat-sifat materi secara lengkap maka harus diketahui dari apa mereka terbuat dan dipelajari bagaimana penyusun materi itu berinteraksi.
Pandangan bahwa atom adalah partikel titik dan tak bisa dibagi lagi dipostulatkan oleh John Dalton pada tahun 1803. Sayangnya, Atom itu bukanlah elemen fundamental. Berturut-turut penemuan elektron oleh J. J. Thomson (1897), inti atom dan proton oleh Rutherford (1911), dan neutron oleh Chadwick (1932) meruntuhkan postulat atom sebagai partikel titik. Elekron kemudian diketahui adalah salah satu elemen fundamental penyusun materi. Partikel-partikel dengan ukuran kecil dari atom (seperti netron, proton, dan elektron) disebut partikel subatomik.
Pada tahun 1964 Murray Gell-mann dan George Zwei mempublikasikan proposal baru tentang partikel titik. Perilaku ratusan partikel dapat dijelaskan sebagai kombinasi dari elemen fundamental yang bernama: QUARK. Quark bersama elektron kemudian menjadi 2 partikel pembentuk materi pertama yang ditemukan.
Gell-mann mendapat hadiah Nobel tahun 1969 atas sumbanganya mengklasifikasi elemen fundamental. Keberadaan quark kemudian terbukti lewat beberapa eksperimen dengan metoda
scattering.
Anti Partikel
Anti partikel pertama kali diramalkan oleh Dirac dalam persamaan Dirac. Persamaan Dirac adalah persamaan yang berhasil mengawinkan konsep relativitas khusus dengan mekanika kuantum. Persamaannya yang dipublikasikan pada tahun 1928 ini memperbaiki persamaan Schrodinger yang tidak bisa dipakai untuk kasus relativisik. Kasus relativistik adalah melibatkan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Elektron misalnya, pada kenyataannya bergerak mendekati kecepatan cahaya.
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 penghilangan (
annihiliation process): Partikel + Anti partikel Energi. Energi ini biasanya dibawa oleh partikel khusus (partikel ini adalah
exchange particle untuk masing-masing interaksi ¡¦dibahas pada bagian berikutnya), 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 liquiddan dikelilingi medan magnet. Partikel akan meninggalkan jejak pada uap cairan tersebut, dan partikel bermuatan akan dibelokkan oleh medan magnet. Arah belok partikel selalu berlawanan arah dengan anti partikelnya. Carl Anderson meraih penghargaan Nobel pada tahun 1935 atas sumbangannya itu.
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 “masalah materi ¡¦anti materi”, satu dari beberapa PR besar fisikawan.
Konsep Partikel Pembangun Materi
Sejauh ini, sudah diketahui beberapa fundamental elemen atau partikel dasar (elementer particle) yang membentuk materi. Mereka diklasifikasikan atas 2 jenis:
quark dan
lepton.
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 Netron, dua partikel subatom yang kita kenal, adalah contoh jenis baryon.
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.
Interaksi Fundamental Alam Semesta
Fenomena interaksi antar partikel dijelaskan dengan keberadaan partikel pembawa interaksi yang saling dipertukarkan oleh partikel-partikel terlibat.
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; sebaliknya makin jauh jarak dua benda maka makin berkurang interaksi gravitasi bekerja. Karena itulah, pada skala mikrokosmik (level partikel) maka interaksi ini bisa diabaikan. Interaksi gravitasi dijelaskan oleh Teori Relativitas Umum Einstein. 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 gluon (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 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 melihat confinement of quark ini disebut bag model. 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!
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: Acuan Model. 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.
Temuan Gross dan kawan-kawan ini 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
