About these ads

Zarah dan Gaya Fundamental di Alam Semesta

Dapatkah kita terus-menerus tanpa akhir memotong sesuatu benda menjadi potongan kecil-kecil? Ataukah pada akhirnya kita akan menjumpai potongan terkecil yang tidak akan dapat lagi dibelah? Pandangan kedua yang dahulu kala disebut “atomisme” ini sudah dipikirkan oleh seorang Yunani bernama Democritus pada abad ke-4 SM. Hingga detik ini ilmuwan terus bekerja menentukan mana yang benar di antara kedua pilihan di atas, karena di balik itu tersimpan pertanyaan yang lebih dalam lagi: apakah penyusun dasar benda-benda di alam semesta ini?

Kini, cabang ilmu pengetahuan yang meneliti penyusun dasar benda adalah fisika partikel. Penelitian selama sekitar 2 abad terakhir nampaknya menunjukkan bahwa alam semesta ini tersusun atas berbagai partikel atau zarah. Penelitian terus berlangsung untuk mengetahui zarah apa saja yang menyusun alam semesta ini dan bagaimana mereka saling berinteraksi. Kita kini telah memiliki apa yang dinamakan fisikawan sebagai “model standar” fisika partikel, sebuah kompilasi teori yang saling konsisten satu sama lain dengan fakta-fakta yang kita temukan dalam eksperimen. Tulisan ini bermaksud memberikan ulasan singkat mengenai model standar.

Quark dan Lepton

Kita telah menemukan bahwa materi di alam semesta ini tersusun atas atom. Setiap atom tersusun atas proton, elektron, dan neutron. Proton dan neutron bersama-sama membentuk inti atom sementara elektron berada di sekeliling inti atom, sebagaimana ditunjukkan gambar di samping. Menurut teori kuantum, posisi sebuah elektron di sekitar inti sebenarnya tidaklah dapat ditentukan. Apa yang dapat kita tentukan adalah kebolehjadian menemukan sebuah elektron dalam posisi tertentu di sekitar inti atom.

Susunan jumlah proton, elektron, dan neutron yang berbeda akan menghasilkan atom yang berbeda, dan akan menentukan apakah atom tersebut stabil atau tidak. Proton punya muatan listrik positif sementara elektron bermuatan listrik negatif, dan neutron tidak bermuatan listrik. Zarah dengan muatan listrik yang sama akan saling menolak sementara zarah yang muatan listriknya berbeda akan saling tarik-menarik.

Menggali lebih dalam lagi, kita menemukan bahwa baik proton dan neutron sebenarnya adalah susunan dari tiga jenis unsur yang dinamakan quark (warna ungu dalam Gambar pertama). Quark punya enam “rasa”: atas up, bawah down, berkharisma charm, aneh strange, puncak top, dan dasar bottom. Proton tersusun atas 2 quark atas dan 1 quark bawah, sementara neutron tersusun atas 2 quark bawah dan 1 quark atas. Fisikawan Murray Gell-Mann memberi nama Quark berdasarkan sebuah petilan dari buku Finnegan’s Wake karya sastrawan Irlandia James Joyce:

    Three quarks for Muster Mark!
    Sure he has not got much of a bark
    And sure any he has it’s all beside the mark.

Karena tiga Quark membentuk sebuah proton atau neutron, maka bait “Three quarks for Muster Mark!” dengan pantas mendeskripsikan perilaku sebuah Quark.

Apakah penyusun dasar benda dengan demikian adalah 6 “rasa” quark dan elektron? Masih ada lagi. Kita menemukan keberadaan dua zarah berat yang dinamakan muon dan tauon. Muon dan tauon punya sifat yang sama dengan elektron: Mereka punya muatan listrik yang sama dengan elektron, hanya saja mereka punya massa yang lebih berat dari elektron.

Neutrino adalah zarah tak bermuatan listrik dan memiliki massa teramat kecil. Kedua sifat ini membuat mereka dapat melaju menembus materi lain dengan sedikit interaksi. Ini membuat mereka sangat sulit dideteksi. Bahkan, pada awalnya keberadaan mereka hanya merupakan sebuah postulat yang diciptakan oleh fisikawan Wolfgang Pauli. Lahir pada tahun 1900 di Vienna, Pauli memperoleh gelar doktornya di Munich di bawah bimbingan fisikawan pionir Arnold Sommerfeld dan kemudian bekerja di bawah Max Born dan Niels Bohr. Kontribusi Pauli dalam Fisika Kuantum diganjar Hadiah Nobel pada tahun 1945.

Pada masa Pauli, pengamatan dalam peluruhan neutron mengindikasikan adanya sedikit perbedaan jumlah energi dari yang diprediksi. Prinsip kekekalan energi mengharuskan jumlah energi yang masuk sama dengan jumlah energi yang dihasilkan. Untuk menjelaskan perbedaan energi ini, pada tahun 1930 Pauli menciptakan sebuah “zarah fiktif” yang bermassa sangat kecil dan bermuatan netral untuk menjelaskan ke mana perginya energi yang hilang tersebut. Oleh fisikawan kenamaan asal Italia, Enrico Fermi, zarah fiktif ini dinamakan “neutrino,” sebuah kata dalam bahasa Italia yang berarti “Si netral kecil.” Pauli berargumen bahwa zarah ini sangatlah kecil sehingga sulit dideteksi dengan alat-alat yang ada pada zaman itu. Ilmuwan setuju dengan postulat Pauli dan mulai menentukan sifat neutrino melalui hitungan teoritis, dan keberadaan neutrino baru bisa dibuktikan lebih dari dua dekade kemudian melalui eksperimen pada tahun 1956. Ahli fisika senang dengan simetri karena ini merefleksikan sesuatu yang indah estetis. Karena sudah diketahui adanya tiga macam zarah bermuatan listrik negatif, berdasarkan prinsip simetri ini maka seharusnya juga ada tiga macam neutrino untuk melengkapi trio elektron-muon-tauon: Neutrino elektron, neutrino muon, dan neutrino tauon. Masing-masing terasosiasikan dengan elektron, muon, dan tauon. Hingga saat ini baru neutrino elektron dan neutrino muon yang baru ditemukan, sementara neutrino tauon masih menunggu untuk ditemukan.

Elektron, Muon, Tauon, serta 3 neutrino pasangannya dikelompokkan ke dalam “keluarga” zarah yang dinamakan Lepton (Warna hijau dalam Gambar pertama). Keluarga Lepton yang jumlahnya enam zarah ini simetris dengan keluarga Quark yang jumlahnya juga enam.

Seandainya inti atom yang terdiri atas proton dan neutron memiliki garis tengah 10 cm, maka sebuah quark hanya akan memiliki garis tengah 0.1 mm, sementara seluruh atom akan bergaris tengah 10 km(!). Materi, dengan demikian, sebagian besar berisi ruang kosong saja.

Boson pembawa gaya

Zarah di alam semesta ini berinteraksi melalui gaya-gaya yang dinamakan Gaya Fundamental. Menurut model standar ada empat gaya fundamental yang bekerja di alam. Berdasarkan gaya terlemah hingga yang terkuat, keempat gaya itu adalah gaya gravitasi, gaya nuklir lemah, gaya elektromagnetik, dan gaya nuklir kuat.

Gaya gravitasi adalah gaya yang timbul dari adanya massa, dan dirasakan oleh objek yang juga punya massa. Gaya inilah yang menyebabkan Bulan mengorbit Bumi, Bumi mengorbit Matahari, dan bintang-bintang terikat dalam satu sistem yang dinamakan galaksi. Gaya grativasi juga lah yang menyebabkan kenapa kita jatuh ke bawah dan kenapa tidak terlempar dari permukaan Bumi. Kekuatan gaya ini sangat lemah dan hanya bisa diukur apabila melibatkan massa yang jauh lebih besar daripada massa atom. Namun apabila dibandingkan dengan tiga gaya lainnya, gravitasi adalah gaya jarak jauh yang dapat bekerja hingga jarak yang jauh sekali. Inilah gaya yang mengikat alam semesta dan menyebabkan galaksi tidak cerai-berai.

Gaya elektromagnetik adalah gaya yang bertanggungjawab terhadap adanya listrik dan praktis terhadap adanya teknologi modern yang kita gunakan. Gaya elektromagnetik menjaga elektron tetap mengorbit inti atom, menjaga atom-atom dalam molekul saling terikat, dan ia juga bertanggungjawab terhadap fenomena kemagnetan dan juga menjelaskan kenapa ada sinar matahari, sinar-x, sinar gamma, gelombang radio, ataupun sinar ultraviolet. Hampir semua fenomena dalam kehidupan sehari-hari kita dapat dijelaskan oleh interaksi elektromagnetik di antara partikel. Gaya ini hanya bekerja apabila ada muatan listrik, oleh karena itu lepton yang tidak bermuatan seperti neutrino tidak dipengaruhi oleh adanya medan listrik.

Gaya nuklir lemah mengubah satu jenis quark menjadi jenis yang lain. Dengan demikian gaya inilah yang menyebabkan sebuah proton dapat berubah menjadi neutron dengan berubahnya sebuah quark atas menjadi quark bawah, dan begitu juga sebaliknya: neutron berubah menjadi proton karena sebuah quark bawah berubah menjadi quark atas. Karena gaya ini bertanggung jawab terhadap perubahan dalam inti atom, maka gaya nuklir lemah menjelaskan fenomena radioaktivitas dan peluruhan.

Gaya paling kuat di alam semesta, gaya nuklir kuat, adalah gaya yang menjaga proton dan neutron tetap saling menyatu membentuk inti atom. Proton dan elektron bermuatan masing-masing positif dan negatif. Muatan yang berbeda akan tarik-menarik, sementara muatan yang sama akan saling tolak-menolak. Semakin kecil jarak antara keduanya, semakin besar gaya tolak-menolak maupun tarik-menariknya. Dalam inti atom, sejumlah proton berkumpul bersama dalam jarak yang sangat dekat, dan dengan demikian menghasilkan gaya tolak yang luar biasa kuat. Namun mengapa inti atom tidak tercerai-berai? Jawabannya adalah karena ada gaya yang lebih kuat lagi yang menjaga inti atom tetap menyatu, yaitu gaya nuklir kuat. Gaya ini hanya bekerja efektif dalam skala subatomik dan lebih jauh itu kekuatannya berkurang jauh dan kalah kuat oleh gaya-gaya lain yang bekerja lebih baik pada jarak yang lebih besar. Oleh karena itu gaya nuklir kuat hanya dialami oleh quark sementara lepton terlalu besar ukurannya untuk dapat dipengaruhi oleh gaya ini.

Empat gaya ini dimediasi oleh 5 partikel tak bermassa yang dinamakan boson acuan (gauge boson), ditunjukkan dalam warna merah muda pada Gambar Pertama. Partikel ini merupakan partikel yang menghantarkan keempat gaya fundamental. Dengan demikian interaksi antara partikel terjadi karena adanya pertukaran boson dari satu partikel ke partikel lain, i.e. satu partikel melepas boson lalu ditangkap oleh partikel lain. Besarnya gaya yang dialami bergantung pada seberapa cepat boson dipertukarkan. Gaya nuklir kuat dihantarkan oleh partikel bernama Gluon, gaya elektromagnetik dibawa oleh Photon, gaya nuklir lemah dihantarkan oleh pasangan partikel yang dinamakan boson W (positif dan negatif) dan boson Z, dan gravitasi dihantarkan oleh Graviton. Dari 5 partikel ini, hanya graviton yang belum dikonfirmasikan keberadaannya oleh eksperimen, dan seringkali dianggap berada di luar model standar. Belum ditemukannya graviton terkait dengan salah satu problem kontemporer dalam ilmu fisika yaitu belum ditemukannya teori kuantum untuk gravitasi, yaitu sebuah teori yang dapat menjelaskan gravitasi dalam skala sub-atomik.

Spektrum elektromagnetik

Sebagai pembawa informasi elektromagnetik, photon punya peran yang sangat penting tidak hanya dalam astronomi tetapi juga dalam kehidupan sehari-hari. Kita bisa melihat karena photon yang berasal dari sinar matahari atau dari sumber cahaya lain memantul dari sebuah benda dan kemudian sampai ke mata kita. Photon ini kemudian mengaktifkan reaksi kimia dalam mata kita yang memungkinkan adanya hantaran sinyal listrik ke neuron-neuron dalam otak kita sehingga citra dapat diproses, dianalisis, dicerna, dan dipahami oleh otak kita. Tentu saja kecepatan kita melihat sebuah kursi dan mengenalinya sebagai sebuah kursi jauh lebih cepat daripada kecepatan kita membaca kalimat-kalimat di atas yang menjelaskan bagaimana penglihatan bekerja.

Sebagian besar informasi yang kita ketahui mengenai alam semesta ini kita dapatkan melalui photon. Dengan menggunakan teleskop, manusia pada prinsipnya mengamati emisi photon dari berbagai objek di alam raya. Photon memancar dalam berbagai energi. Rentang energi photon disebut juga spektrum elektromagnetik, dan digambarkan sebagaimana di samping.

Berbagai instrumen telah dikembangkan untuk dapat mengamati photon dalam berbagai panjang gelombang dan energi: Teleskop radio untuk mengamati gelombang radio, teleskop optik untuk mengamati photon yang dapat diamati mata kita, detektor sintilasi untuk mengamati sinar-gamma, dan banyak lagi.

Astronomi multi-kurir

Photon dengan demikian dapat dikatakan sebagai “kurir” pembawa informasi mengenai hakikat sebuah objek. Dengan mempelajari intensitas photon yang dipancarkan sebuah objek, dan distribusi energi photon tersebut, kita dapat mempelajari sebuah objek dengan teliti. Namun, sebagaimana telah kita lihat, di alam semesta ini ada banyak zarah selain photon. Sebuah proton dapat dipercepat oleh medan magnet hingga mendekati kecepatan cahaya, dan dapat kita amati sebagai sinar kosmik. Ledakan bintang yang kita amati sebagai supernova juga dapat menghasilkan neutrino, pun juga halnya reaksi nuklir di dalam Matahari kita setiap saat menghasilkan neutrino energi lemah. Mempelajari zarah-zarah ini akan dapat memperkaya pengetahuan kita mengenai alam semesta.

Astronomi kini tidak hanya mengamati photon. Kita mulai membangun observatorium untuk mengamati sinar kosmik dan neutrino. Observatorium Pierre Auger di Argentina, misalnya, adalah fasilitas terbesar di dunia untuk mengamati sinar kosmik. Teleskop neutrino juga telah berdiri: Kamiokande untuk mengamati neutrino energi rendah dari Matahari, dan teleskop IceCube dan ANTARES untuk mengamati neutrino energi tinggi dari Supernova, Galaksi Aktif, atau Semburan Sinar-Gamma (GRB). Graviton pun juga dapat diamati dengan mengamati “riak” ruang-waktu. Riak ini kita namakan gelombang gravitasi. Namun karena gravitasi adalah gaya paling lemah di alam semesta, maka graviton juga berinteraksi lemah dengan objek-objek lain. Oleh karena itu, untuk dapat menghasilkan graviton dan gelombang gravitasi dalam intensitas yang memungkinkan untuk diamati, dibutuhkan massa yang besar misalnya interaksi antara dua lubang hitam (black hole). Hingga saat ini gelombang gravitasi belum dapat diamati, namun fasilitas pengamatan gelombang gravitasi seperti LIGO di Amerika Serikat, dan VIRGO di Italia kini telah beroperasi. Pengamatan gelombang gravitasi adalah program jangka panjang penelitian fisika dan astronomi, dan Hadiah Nobel hampir pasti akan diberikan kepada eksperimen yang berhasil mendeteksi gelombang gravitasi.

Ada berbagai objek yang memancarkan berbagai zarah ini secara hampir serempak. Mengamati berbagai zarah dari satu objek dapat pula memperkaya khazanah pengetahuan kita. Observatorium neutrino telah bersepakat untuk bekerja sama dengan satelit sinar-x dan detektor gelombang gravitasi untuk mengkoordinasikan program pengamatan. Apabila di masa lalu astronom mengkoordinasikan pengamatan multi-panjang gelombang (multiwavelength), i.e. hanya mengamati photon namun dalam berbagai energi, kini dilakukan pengamatan multi-partikel atau biasa dinamakan astronomi multi-kurir (multimessenger astronomy). Garda terdepan penelitian astronomi kini telah diperluas, tidak hanya sebatas mengamati photon.

Tri L. Astraatmadja,  http://www.fisikanet.lipi.go.id/
About these ads

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.

%d bloggers like this: