READ MORE >>   GPMPS

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.

Ntah kebetulan atau memang kami sudah mendapatkan feeling, pada Minggu 26 September 04 yang lalu saya memilih topik Fisika Partikel dalam Kuliah Umum gpmps (gerombolan pencicip makanan pencinta sains) – sebuah perkumpulan yang mengaku sebagai gerakan bawah tanah dan underbow-nya deGromiest, organisasi muslim Indonesia 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, mari saya ajak bertemu dengan Fisika Partikel, yang juga baru saya kenal Ramadhan tahun lalu. Perkenalan yang menggetarkan dawai asmara dan melahirkan cinta pertama saya pada dunia kuantum.

SILAKAN MENIKMATI, tidak lupa dengan secangkir kopi hanget! (Yang dinikmati kopi angetnya aja? hahaha)

PS:
(1) Yang saya sajikan di sini adalah sari pati dari artikel aslinya yang bisa rekan-rekan baca di febdian.net (http://febdian.net/content.php?article.29). Di sana yang pasti informasinya lebih lengkap juga disertai gambar-gambar yang membantu pemahaman.
(2) Terimakasih khusus pada Begawan kita, Pak Zeily yang sudi dan tulus menurunkan secuil ilmu menulisnya.

—————————————————————-
MENCUMBU DUNIA DENGAN FISIKA PARTIKEL

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).

Elemen Fundamental

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.

[i]Jadi, apa dong element fundamental alam semesta ini?[/i]

Feymnan, 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. Seratus enam puluh satu tahun setelah John Dalton mengeluarkan 3 postulat teori atomnya pada 1803, Murray Gell-mann mengklasifikasi prilaku ratusan partikel sebagai kombinasi dari elemen fundamental yang bernama: QUARK. Quark bersama elekron kemudian menjadi 2 partikel pembentuk materi pertama yang ditemukan.

Eksistensi Anti Partikel

Anti partikel pertama kali muncul dalam solusi Persamaan Dirac, persamaan yang mengawinkan teori relativitas khusus dengan mekanika kuantum. 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), misalnya dalam conton 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 liqud dan diberi medan magnet, sehingga partikel tersebut akan meninggalkan jejak. Partikel dan Antinya akan bergerak pada arah belawanan seperti terlihat pada gambar 6, yang merupakan hasil pekerjaan Anderson. 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 “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.

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.

Konsep Interaksi Fundamental Alam Semesta

Fenomena interaksi antar partikel dijelaskan dengan keberadaan partikel pembawa interaksi yang saling dipertukarkan oleh partikel-partikel terlibat.

Untuk menjelaskan bagaimana interaksi terjadi, bayangkan dua orang berada dalam perahu A dan B yang sedang mengapung di atas air. 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! Gimana, keren kan?

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.

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.

Penutup

Awan tergulung, O Tuan, di hari senja,
Nampak berbalam biru warnanya,
Jumpa pertama, O Tuan, begitu menggoda
Takkan kulupa sepanjang Masa

Ku sulam kasih berbenang emas
Biar ga ngerti yang penting ikhlas!

—————————————————————-
Dianjurkan dengan sangat keras bagi rekan-rekan untuk menengok artikel asli, setidak-tidaknya untuk melihat ilustrasi yang tersedia. Ilustrasi-ilustrasi itu insyaallah sangat membantu pemahaman artikel ini, terutama mengenai skenario unifikasi fundemantal interaksi.

Artikel asli di: http://febdian.net/content.php?article.29

  READ MORE >>   GPMPS