Selasa, 10 Februari 2015

Partikel Terkecil



Siapa pun yang tidak terguncang akal budinya oleh teori kuantum tidak memahaminya (Niels Bohr)

Semua benda di sekitar kita - orang, hewan, tanaman, mobil, pesawat terbang, rumah, pohon, gelas, senduk, air, awan, gas - dibentuk oleh potongan-potongan sangat kecil dari materi. Lalu, apakah materi paling kecil itu?

Di masa awal penelitian tentang materi paling kecil, para ilmuwan mengatakan atomlah materi yang paling kecil, tidak bisa dibagi lagi menjadi lebih kecil. Istilah ilmu fisika modern untuk materi paling kecil ini adalah partikel atau zarah. Suatu partikel adalah suatu potongan sangat kecil dari materi yang menjadi suatu bagian dari atom. Ukuran sangat kecil ini bisa kita bayangkan melalui sebutir pasir atau debu - kecil sekali, bukan? Tapi partikel sebagai bagian dari atom lebih kecil dari butir pasir atau debu.

Suatu cabang Ilmu Fisika yang memelajari partikel-partikel disebut Ilmu Fisika Partikel. Ilmu ini menemukan kemudian hari bahwa atom ternyata bukanlah potongan materi paling kecil dalam alam semesta. Ketika atom dibagi-bagi atau dibelah, ilmuwan menemukan bahwa ia terdiri dari partikel-partikel. Ada di dalamnya partikel bernama elektron dan inti atom; elektron mengitari inti atom. Sesudah diteliti lebih dalam, ternyata inti atom masih bisa dibagi menjadi lebih kecil: proton dan neutron. Ternyata proton dan neutron dibentuk oleh zarah-zarah yang lebih kecil, disebut kuark-kuark.  

Bagian-bagian atau belahan-belahan yang lebih kecil dari atom tadi dipandang berada subatom, di bawah atom. Partikel-partikel yang sifatnya adalah di bawah atom lalu disebut partikel-partikel atau zarah-zarah subatomik.

Para fisikawan yang meneliti partikel-partikel percaya kuark, suatu partikel subatomik, bersifat mendasar. Artinya, zarah subatomik ini tidak bisa dibagi lagi menjadi lebih kecil.

Partikel Elementer atau Fundamental



Struktur materi: Materi dibentuk oleh partikel-partikel sangat kecil bernama atom-atom. Selanjutnya, atom dibentuk oleh inti sangat kecil yang dikitari suatu awan partikel bernama elektron. Inti atom terdiri dari proton dan neutron, masing-masing dibentuk oleh partikel-partikel lebih kecil yang disebut kuark. Kuark dipercaya bersifat fundamental, tidak bisa lagi dibelah menjadi partikel yang lebih kecil

Zarah-zarah subatomik yang oleh ilmuwan dipercaya tidak bisa dibelah lagi menjadi lebih kecil disebut partikel-partikel elementer atau partikel-partikel fundamental. Partikel-partikel fundamental menyediakan satuan-satuan dasar yang membentuk semua materi dan energi di alam semesta.

Materi = energi

Frasa "materi dan energi" menyiratkan suatu gagasan besar dari Albert Einstein. Suatu persamaan matematiknya yang anggun adalah: E=mc2. Melalui persamaan ini, dia meramalkan bahwa energi bisa diubah menjadi materi.

Fermion atau boson

Apakah kuark satu-satunya partikel fundamental yang tidak bisa dibelah lagi? Ternyata tidak. Di samping kuark, ada tiga partikel fundamental lain: lepton, boson yang menyalurkan forsa, dan boson Higgs.

Penelitian lebih mendalam dari partikel-partikel elementer menunjukkan bahwa materi - seperti planet, orang, rumah, hewan, tanaman, dan atom - ternyata bisa dikelompokkan ke dalam salah satu dari dua kategori partikel subatomik: fermion atau boson. Yang menetapkan apakah berbagai jenis materi tergolong pada fermion atau boson adalah perilaku suatu partikel atau kelompok partikel di dalamnya. Beda antara kedua kategori ini tidak tampak pada skala besar, seperti pada rumah atau orang, tapi ia punya implikasi yang jauh dalam dunia atom dan zarah-zarah elementer. Partikel-partikel elementer dikelompokkan entah sebagai fermion atau boson. Fermion-fermion fundamental bergabung membentuk atom dan partikel-partikel lain yang lebih khas. Sementara itu, boson-boson fundamental menyalurkan keempat forsa fundamental alam semesta antara partikel-partikel dan memberi massa atau bobot pada partikel-partikel. Secara khusus, zarah-zarah yang menyalurkan keempat forsa fundamental berpengaruh pada materi dan lawannya, antimateri; zarah-zarah dengan peranan ini adalah boson-boson yang disebut penyalur forsa-forsa (force carriers).

Kedua istilah tadi berasal dari nama dua orang fisikawan tenar abad ke-20. Fermion dinamakan sesuai sebagian nama Enrico Fermi, fisikawan berdarah Yahudi yang sudah kita kenal dari suatu tulisan sebelumnya. Boson mengacu pada Bose, nama marga atau kedua seorang matematikawan India bernama Satyendra Bose.

Fermion-fermion fundamental yang membentuk materi tergolong pada dua kategori: lepton dan kuark. Setiap lepton dan kuark punya pasangan antipartikelnya; antipartikel ini punya massa yang sama dengan pasangannya - lepton dan kuark - tapi muatan listriknya berbeda.

Penggagas teori tentang kuark adalah Murray Gell-Man, seorang fisikawan AS. Dia membuat riset tentang interaksi zarah-zarah elementer. Melalui riset ini, dia mengajukan teorinya tentang kuark. Teori ini mengantarnya untuk meraih Hadiah Nobel dalam Ilmu Fisika pada tahun 1969.

Meskipun demikian, teori kuark Murray Gell-Mann belum dibuktikan melalui eksperimen ilmiah. Ini baru dilakukan tahun 1969 oleh tiga orang fisikawan: Jerome Friedman dan Henry Kendall dari Amerika Serikat serta Richard Taylor dari Kanada. Eksperimen mereka menunjukkan bahwa proton punya struktur internal. Eksperimen tersebut mengantar mereka untuk meraih Hadiah Nobel Ilmu Fisika tahun 1990.

Leon Lederman dari AS dan koleganya menemukan suatu generasi ketiga kuark pada tahun 1977. Partikel fundamental ini mereka namakan kuark bottom.

Para fisikawan percaya masih ada lagi sejenis boson fundamental lain yang mereka namakan boson Higgs. Boson Higgs memberi massa pada materi dan antimateri. Tapi mereka sejauh ini belum menemukan boson Higgs.

Kata "Higgs" mengacu pada nama keluarga seorang fisikawan asal Inggris: Peter Higgs. Dialah yang mengajukan teori tentang adanya boson itu pada tahun 1964, kemudian boson Higgs dijadikan suatu istilah ilmu fisika kuantum sebagai suatu tanda penghormatan baginya.

Tahun 1983, suatu partikel penyalur forsa nuklir lemah ditemukan oleh Carlo Rubbia, seorang fisikawan asal Italia, dan koleganya. Partikel ini dinamakan boson W dan Z. Rubbia dan Simon Van der Meer, seorang fisikawan dari Belanda, meraih bersama-sama Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1984 karena karya mereka tentang penemuan boson W dan Z.

Neutrino, muon, dan tau

Penelitian-penelitian makin jauh menemukan lagi bahwa lepton masih ada berbagai jenisnya. Jenis-jenis ini diberi nama-nama khas dan generasinya. 

Bagaimanakah lepton generasi pertama dibentuk? Melalui rerasan (decay) atomik. Ketika mereras, atom-atom secara radioaktif terkadang memancarkan suatu elektron dalam suatu proses yang disebut rerasan beta.

Rerasan beta dikaji dan para ilmuwan menemukan suatu partikel fundamental baru yang mereka namakan neutrino elektron. Ia ternyata suatu jenis lepton tanpa muatan listrik. Jenis neutrino ini adalah juga generasi pertama lepton. Atom melepaskan neutrino bersama elektron ketika melepaskan rerasan beta.

Para fisikawan lalu menemukan lagi suatu partikel yang mirip elektron dan proton. Tapi ia lebih berat dari elektron dan lebih ringan dari suatu proton. Partikel ini disebut muon, generasi kedua lepton yang bermuatan listrik.

Penemu muon pada tahun 1947 adalah Carl Anderson dan Seth Neddermeyer, dua orang fisikawan. Ini indikasi pertama suatu jenis lepton yang baru.

Penemuan muon mengantar para fisikawan pada penemuan sejenis lepton yang baru yang disebut neutrino muon pada tahun 1962. Ternyata, muon punya mitra yang secara listrik netral terhadapnya. Itulah neutrino muon. Jenis neutrino ini punya massa yang sangat kecil atau tanpa massa. Muon neutrino dilepaskan ketika suatu muon mereras. Muon dan neutrinonya dipandang generasi kedua lepton.

Dua orang fisikawan AS yang lain, Martin Perl dan Frederick Reines, bersama koleganya menemukan tau, suatu lepton generasi ketiga yang bermuatan listrik. Seperti neutrino muon, tau punya suatu mitra netral secara listrik bernama neutrino tau. Neutrino tau punya massa yang sangat kecil. Karena penemuannya, Perl dan Reines kemudian meraih Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1995.

Fermion, asas ekslusi, dan neutrino elektron

Wolfang Pauli, seorang fisikawan AS berdarah Yahudi kelahiran Austria, berjasa dalam merumuskan suatu aturan ilmu fisika. Ilmu ini lalu menolong merumuskan fermion-fermion.

Dia juga menunjukkan bahwa setiap elektron unik. Unik dalam arti tidak satupun dari dua elektron bisa punya sifat dan lokasi yang sama.

Wolfgang Pauli terkenal juga karena suatu gagasan besarnya dalam ilmu fisika kuantum. Itulah asas ekslusi. Asas ini menjelaskan mengapa semua elektron dalam atom-atom punya jumlah energi yang agak berbeda. Asas ini belum dikukuhkan secara matematik.

Pembuktiannya kemudian dilakukan oleh Enrico Fermi dan Paul Dirac, seorang fisikawan Inggris. Mereka berdua mengembangkan persamaan matematik yang memerikan perilaku elektron. Persamaan mereka menyediakan bukti matematik dari asas ekslusi. Karena berjasa dalam menemukan asas ekslusi, Wolfgang Pauli meraih Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1945.

Para fisikawan lalu menyebut partikel-partikel yang mematuhi asas ekslusi sebagai fermion-fermion. Contoh-contoh fermion mencakup proton, neutron, dan kuark.

Awal abad ke-20, para ilmuwan memelajari rerasan beta. Mereka memerhatikan bahwa jumlah massa dan energi sebelum rerasan itu lebih besar dari jumlah massa dan energi yang ada sesudah rerasan itu. Untuk menghitung energi yang hilang itu, Wolfgang Pauli mengusulkan tahun 1928 bahwa ada suatu partikel baru.

Hipotetisnya terbukti betul. Partikel itu sekarang dikenal dengan sebutan neutrino listrik.Ia tanpa muatan listrik dan tanpa muatan warna.

Hampir 30 tahun sesudah Pauli pertama kali mengusulkan adanya partikel tadi, dua orang fisikawan AS menemukan neutrino itu pertama kali tahun 1956. Mereka adalah Frederick Reines dan Clyde Cowen. Reines berbagi Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1995 dengan seorang fisikawan lain untuk eksperimennya.  

Partikel yang tidak mematuhi asas ekslusi

Foton atau partikel cahaya tergolong pada beberapa partikel yang tidak mematuhi asas eksklusi. Dua foton atau lebih bisa punya ciri yang persis sama.

Ciri tadi dinyatakan Albert Einstein dan Satyendra Bose. Mereka berdua mengembangkan seperangkat persamaan matematik yang memerikan perilaku partikel yang tidak mematuhi asas ekslusi.

Zarah antimateri

Dalam alam semesta, ada materi dan lawannya, antimateri. Akan tetapi, materi masa kini lebih banyak dari antimateri. Mengapa ada kepincangan ini, para ilmuwan belum menemukan jawaban yang tuntas. Ada materi dan antimateri berarti ada partikel dan antipartikel.

Paul Dirac meramalkan pada tahun 1928 bahwa ada antipartikel, yang bergabung membentuk antimateri. Antipartikel punya massa yang sama dengan pasangan partikel normalnya, tapi punya beberapa jumlah yang berlawanan, seperti muatan listrik dan muatan warna.

Semua fermion punya antipartikel-antipartikel. Partikel anti dari suatu elektron disebut positron dan partikel anti dari proton disebut antiproton. Antiproton terdiri dari antikuark.

Penemu positron adalah Carl Anderson. Dia mengukuhkan teori Paul Dirac tentang pasangan antipartikel dan antimateri, yaitu partikel dan materi. Karena penemuannya, Anderson berbagi Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1936.

Penyatuan dua forsa dan model baku

Berbeda dengan fisikawan-fisikawan tadi, Steven Weinberg dan Sheldon Glashow dari AS serta Abdus Salam dari Pakistan berhasil menyatukan forsa elektromagnetik dan nuklir lemah pada tahun 1967. Karena hasil risetnya, ketiga fisikawan ini berbagi Hadiah Nobel untuk Ilmu Fisika tahun 1979.
Mereka bertiga pun terkenal dalam ilmu fisika modern karena teori mereka yang dikenal sebagai model baku (standard model) ilmu fisika tentang zarah-zarah. Teori ini adalah hasil pengembangannya secara matematik tentang hakekat dan perilaku partikel-partikel elementer.

Teori mereka sangat memajukan pemahaman tentang partikel-partikel fundamental dan forsa-forsa di alam semesta.

Realitas Kuantum yang Aneh

Niels Bohr, salah seorang ilmuwan kunci di balik ilmu fisika kuantum modern, mengatakan, "Siapa pun yang tidak terguncang akal budinya oleh teori kuantum tidak memahaminya." Pernyataannya menyiratkan realitas aneh dunia kuantum, realitas yang sering menantang logika sehari-hari kita.

Bagaimanakah kita memahami keanehan dunia kuantum? Bisa melalui tiga eksperimen yang disebut eksperimen melalui celah ganda, eksperimen dengan bola lampu listrik, dan eksperimen dengan kucing Schroedinger.

Eksperimen celah ganda

Ini yang paling mudah dari ketiga-tiganya. Percobaan ini melibatkan penyinaran seberkas cahaya melalui dua celah yang sama ukurannya dan sejajar. Di belakang kedua celah itu terbentang layar. Kemudian, suatu foton tunggal atau partikel cahaya ditembak melalui salah satu celah. Anehnya, foton tunggal itu menyela dirinya sendiri pada layar, seakan-akan ia bergerak melewati kedua celah itu secara serentak.

Eksperimen dengan bola lampu listrik

Bayangkan kawat pijar sebuah bola lampu listrik yang memancarkan suatu foton. Pancaran foton tampaknya mengikuti suatu arah yang acak. Bagaimana bisa ada peluang untuk menemukan foton itu pada suatu titik tertentu? Akan tampak sejenis gelombang. Gelombang ini mirip suatu riak yang ditimbulkan sebuah batu kerikil yang dijatuhkan ke dalam suatu kolam air; mirip riak ini, pancaran foton tadi akan menjalar ke luar dari kawat pijar itu.

Keanehan kuantum terjadi ketika Anda membuat pengamatan. Begitu Anda melihat ke arah foton-foton, fungsi gelombang-gelombangnya ambruk menjadi suatu titik tunggal. Titik tunggal itulah realitas sesungguhnya dari foton-foton itu!

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar