Teori Interaksi Fundamental dan Model Standar Fisika Partikel

Oleh : Achmad Prayogi (Fisika FMIPA Universitas Indonesia)

0

Penelitian mengenai partikel terkecil penyusun materi, baik secara teori dan eksperimental telah dimulai sejak era mekanika kuantum atau fisika modern. Bukan hanya usaha untuk membuktikan keberadaan partikel elementer tersebut, tapi juga berkaitan dengan interaksi yang bertanggungjawab terhadapnya.

Secara bertahap eksperimen berhasil membuktikan adanya atom, inti atom, sinar kosmik, dan fisika energy tinggi. Penemun-penemuan ini, disertai secara parallel dengan penelitian fisika teori yang merupakan landasan formal matematis, sehingga mengarahkan kita untuk menyelidiki dunia partikel subatomic (lebih kecil dari atom, penyusun dasar atom) yakni quark, lepton, dan gauge boson.

Menurut teori atom klasik, inti atom terdiri atas proton dan neutron yang terikat kuat oleh interaksi gaya kuat atau gaya nuklir kuat. Ikatan dengan electron secara elektromagnetik akan mengakibatkan terbentuknya atom yang dikenal dalam table periodic elemen. Menariknya, neutron dapat berubah menjadi proton dengan adanya interaksi lemah yang bertanggungjawab terhadap perluruhan partikel β. Peluruhan neutron menjadi proton ini disertai dengan terbentuknya electron dan antineutrino.

Proton dan neutron bukanlah partikel fundamental yang berdiri sendiri. Partikel-partikel tersebut merupakan keadaan quark yang berikatan dan membentuk keadaan fermion yang terikat secara kuat, yang disebut sebagai baryon. Konsekuensi lainnya dari ikatan quark ini adalah partikel meson, salah satu contohnya adalah pion. Berdasarkan spinnya, partikel dibagi menjadi 2 keadaan. Yakni fermion yang merupakan partikel dengan spin kelipatan setengah bilangan bulat dan boson dengan spin bilangan bulat.  Fermion merupakan partikel yang memenuhi statistika yang dideskripsikan oleh Enrico Fermi (1901-1954) dari Italia, Paul dirac (1902-1984) dari Inggris, dan Wolfgang Pauli (1900-1954) yang berasal dari Austria yang dikenal dengan exclusion principle (larangan Pauli). Secara sederhana dijelaskan bahwa partikel fermion tidak boleh menempati tempat yang sama dalam waktu yang sama (keadaan yang sama). Secara formal, tidak diperkenankan dua buah fermion memiliki bilangan kuantum yang sama.

Seluruh partikel yang terikat secara kuat yakni baryon dan meson, secara kolektif disebut sebagai hadron. Sementara itu, electron dan neutrino bukanlah partikel yang komposisinya termasuk jenis quark. Komposisi electron dan neutrino merupakan jenis lepton. Quark dan lepton merupakan jenis fermion.

Sementara itu, jenis statistika partikel yang lainnya adalah boson. Partikel boson memiliki karakteristik yang kontras dengan fermion. Jika fermion tidak membolehkan keadaan yang sama antara dua partikel, dalam partikel jenis boson mendeskripsikan dua atau lebih partikel berada dalam keadaan yang sama. Aturan statistic boson pertama kali dideskripsikan oleh Satyendra Bose (1894-1974) dari India dan Albert Einstein (1879-1955) ilmuwan berkebangsaan Jerman. Gluon, foton, W, Z, dan Higgs merupakan partikel boson.

Tabel 1: Partikel berdasarkan spin, era partikel klasik, dan Higgs Boson

Model Standar Fisika Partikel

Fisika partikel memiliki klasifikasi berdasarkan jenis komposisi penyusunnya yakni spin, muatan, color, dan massanya. Secara teori fisikawan menggunakan teori medan kuantum dan mekanika kuantum relativistic untuk mempelajari keberadaan partikel tersebut. Apa teori medan kuantum dan mekanika kuantum relativistic? Secara istilah, teori medan kuantum adalah kuntisasi medan yang tereksitasi. Teori ini menjelaskan perpaduan mekanika kuantum dan teori relativitas. Sedangkan mekanika kuantum relativistic sendiri adalah bagian dari mekanika benda-benda kecil dengan pergerakan partikel secara relativistic (mendekati kecepatan cahaya).

Secara eksperimental, keberadaan partikel-partikel elementer dibuktikan pada akselerator partikel yang bekerja untuk menumbukkan partikel sehingga pecah dan terlihatlah ukuran paling kecil yang bisa dilihat dari hasil tumbukan tersebut. Karena tumbukannya berlangsung dengan kecepatan dan energi tinggi, maka ranah fisika partikel ini disebut juga sebagai fisika energi tinggi (high energy physics).

Tabel 2: Data model standar fisika partikel

Interaksi Partikel

Di alam, setiap materi saling berinteraksi dengan adanya gaya memengaruhinya. Ditelusuri berdasarkan partikel pembawanya, interaksi dasar (gaya fundamental) dibagi menjadi 4 macam yakni: interaksi kuat, interaksi lemah, elektromagnetik, dan gravitasi. Gaya-gaya tersebut bekerja pada jangkauan yang berbeda. Gaya gravitasi merupakan gaya yang paling lemah dibandingkan ketiga jenis gaya yang lain dan berlaku untuk benda makro. Sementara itu, ketiga gaya fundamental yang lain berada dalam skala atomic dan subatomic. Dari keempat macam gaya tersebut, gaya nuklir kuat (interaksi kuat) merupakan gaya yang paling kuat. Gaya nuklir kuat, nuklir lemah, dan elektromagnetik telah terbukti dapat disatukan.

Perkembangan Paling Baru

Partikel Higgs Boson

Bulan Juli 2012 sempat dihebohkan oleh penemuan secara eksperimen partikel Higgs Boson, yang mana sudah diprediksikan oleh Peter Higgs sejak tahun 1964 namun secara eksperimental keberadaan partikel ini masih belum bisa dipertanggungjawabkan hingga saat itu. Kini, dengan penemuan partikel Higgs yang disinyalir sebagai partikel pembawa massa dianggap melengkapi model standar fisika partikel. Higgs Boson merupakan penentu untuk menerangkan mengapa suatu partikel memiliki massa. Jika Higgs Boson ditemukan, maka misteri tersebut akan terurai. Pada masa awal alam semesta setelah Big Bang, terbentuk medan Higgs dan Higgs Boson. Interaksi dengan medan Higgs tersebutlah yang membuat partikel bisa memiliki massa. Proses ini menentukan bagaimana planet, bintang, galaksi, dan sebagainya terbentuk. Tanpa adanya medan Higgs dan Higgs Boson, atom yang tersusun atas partikel-partikel tak mungkin terbentuk. Demikian juga ikatan kimia dan obyek-obyek semesta.

Penemuan partikel Higgs ini menjawab misteri puluhan tahun terkait eksistensi partikel tersebut. Karena keberadaaannya yang sulit ditemukan secara eksperimen, maka diplesetkan, dari Goddamn particle hingga God Particle yang berarti sebagai partikel Tuhan. Istilah Partikel Tuhan pertama kali muncul dari buku yang ditulis oleh peraih penghargaan nobel, Leon Lederman pada tahun 1994. Leon menerbitkan buku yang berjudul God Particle: If The Universe Is The Answer, What Is The Question?

Jalan untuk menemukan partikel tersebut tergolong rumit. Setiap tahunnya observasi Partikel Tuhan membutuhkan dana sebesar kurang lebih 10 triliun dollar AS. Biaya sebesar itu diperlukan untuk pengoperasian sebuah alat yang bernama Large Hadron Collider (LHC). Alat tersebut berbentuk melingkar sepanjang 27 kilometer. Alat mahal tersebut berada di bawah tanah di antara wilayah Swiss dan Perancis.

Gambar 1. Large Hadron Collider

Teori Relativitas Umum dan Gelombang Gravitasi

Teori gravitasi Newton sangat fenomenal menjelaskan interaksi benda yang bermassa. Namun, kenyatannya teori ini masih perlu dikoreksi untuk benda bermassa yang bergerak secara relatif dan bergantung waktu. Dengan kata lain, massa benda tidak konstan namun bergantung pada fungsi t, M(t). berdasarkan adanya keterbataan tersebut, Albert Einstein mengembangkan teori baru mengenai gravitasi yakni teori relativitas umum. Sebelumnya Einstein juga berjasa dalam penemuan teori relativitas khusus untuk benda yang bergerak dengan kecepatan mendekati cahaya, yang invarian terhadap transformasi Lorentz.

Teori relativitas umum sangat penting kaitannya dengan penelitian objek skala besar yakni untuk mempelajari bidang astrofisika, astronomi, dan kosmologi. Salah satu topik yang sedang hangat menjadi objek penelitian ilmuwan yang bergelut dibidang ini adalah mengenai gelombang gravitasi. Hampir mirip dengan kasus partikel Higgs, awalnya gelombang gravitasi adalah suatu teori yang ditemukan berdasarkan relativitas umum, namun keberadaannya belum bisa terbuktikan secara eksperimental. Tahun 2015, eksperimen di LIGO mengklaim telah ditemukannya gelombang gravitasi.

Gelombang gravitasi mengangkut energi dalam bentuk radiasi gravitasi. Gelombang ini terbentuk akibat invariansi Lorentz dalam relativitas umum yang menjelaskan bahwa segala pergerakan interaksi fisik dibatasi oleh kecepatan cahaya. Sebaliknya, gelombang gravitasi tidak dapat terbentuk dalam teori gravitasi Newton yang menyatakan bahwa interaksi fisik bergerak dengan kecepatan tak hingga. Sebelum gelombang ini terdeteksi, sudah ada bukti-bukti tak langsung mengenai keberadaannya. Misalnya, pengukuran sistem biner Hulse-Taylor menunjukkan bahwa gelombang gravitasi bukan sekadar hipotesis. Gelombang gravitasi yang dapat terdeteksi diduga berasal dari sistem bintang biner yang terdiri atas katai putih, bintang neutron, dan black hole.

Pada tahun 2016, beberapa pendeteksi gelombang gravitasi sedang dibangun atau sudah beroperasi. Salah satu di antaranya adalah Advanced LIGO yang beroperasi bulan September 2015. Bulan Februari 2016, tim Advanced LIGO mengumumkan bahwa mereka telah mendeteksi geombang gravitasi dari proses menyatunya black hole.

 

Referensi:

Quark and Leptons: Modern Particle Physics, Halzen-Martin

Introduction to General Relativity, Ryder

An Introduction to Quantum Field Theory, Ryder

http://fisikanet.lipi.go.id/utama.cgi/utama.cgi?artikel&1341667568&9

Tinggalkan pesanan

Alamat email anda tidak akan disiarkan.