Pada artikel Teori String yang kita bahas sebelumnya (baca di halaman ini ), kita telah mengetahui bahwa dunia terbuat dari tujuh belas partikel dasar yang dijelaskan di dalam Standard Model. Sekarang, kita akan membahas Standard Model lebih mendalam. Artikel kali ini berkaitan erat dengan artikel sebelumnya (Teori String), karena bahasan di dalam artikel ini bersifat melengkapi pemahaman kita terhadap artikel sebelumnya.
Mari kita lihat kembali ketujuh belas partikel dasar pembentuk dunia dan isinya!
Fermion
Fermion juga disebut sebagai building block, artinya fermion merupakan partikel dasar pembentuk hampir seluruh materi di alam semesta termasuk alam semesta itu sendiri. Fermion terbagi ke dalam tiga generasi: generasi satu, dua dan tiga. Berikut ini perinciannya:
Fermion juga terbagi ke dalam dua kelompok: quark dan lepton.
- Generasi satu (generasi biasa), partikel-partikelnya dapat membentuk hadron bermasa hidup tak terbatas.
- Generasi dua (generasi eksotis), partikel-partikelnya selalu membentuk hadron labil dan bermasa hidup pendek.
- Generasi tiga (generasi supereksotis), partikel-partikelnya terpecah berdasarkan tingkah lakunya.
Fermion juga terbagi ke dalam dua kelompok: quark dan lepton.
Quark sudah merupakan partikel dasar yang tidak dapat dipecah lagi. Keenam flavour-nya (jenis) memiliki nama yang unik: up (naik), down (turun), charm (pesona), strange (aneh), top (atas) dan bottom (bawah). Nama-nama ini hanyalah metafora dan tidak berkaitan dengan properti intrinsik mereka.
Quark tidak bisa berdiri sendiri sebagai partikel dasar. Untuk itu satu partikel quark harus berikatan dengan satu hingga dua partikel quark lainnya agar dapat membentuk materi. Ada dua jenis ikatan quark yang dikenal: baryon (ikatan tiga partikel quark) dan meson (ikatan dua partikel quark). Para ilmuwan sering menyebut ketiganya – quark, baryon dan meson – dengan istilah hadron.
Di samping itu, ada beberapa istilah yang harus kita ketahui:
- Nucleon, yaitu nucleus (inti atom) yang mengandung baryon.
- Hyperon, yaitu baryon yang kandungannya hanya memiliki satu strange quark dan tidak juga mengandung charm, bottom, atau top quark.
Lepton merupakan kelompok yang terdiri dari enam flavour. Keenamnya terbagi menjadi dua subkelompok: general dan neutrino. Berbalikan dengan quark, partikel-partikel lepton bisa berdiri sendiri sebagai partikel dasar.
Ketiga partikel lepton neutrino bermasa sangat ringan – bahkan bila dibandingkan dengan partikel lepton biasa – dan netral (tidak bermuatan). Ketiganya juga lemah dalam berinteraksi dengan partikel-partikel lainnya.
Boson
Ada lima partikel boson yang telah dikenal oleh para ilmuwan. Jika semua partikel fermion adalah partikel yang nyata dan berwujud, tidak demikian dengan kelima partikel boson. Ada beberapa partikel boson yang virtual (tidak nyata). Partikel itu tidak terdeteksi oleh penglihatan, namun efek yang ditimbulkannya dapat dirasakan.
Ada empat gaya yang bekerja di setiap bagian dari alam semesta: electromagnetism (elektromagnetis), gravity (gravitasi), strong force (gaya kuat) dan weak force (gaya lemah). Keempat gaya ini dibawa oleh partikel boson: photon membawa electromagnetism, gluon membawa strong force dan Z dan W membawa weak force. Ketiga pembawa gaya ini dinamakan gauge boson. Sementara itu, higgs adalah partikel yang menyebabkan materi memiliki massa.
Ada empat gaya yang bekerja di setiap bagian dari alam semesta: electromagnetism (elektromagnetis), gravity (gravitasi), strong force (gaya kuat) dan weak force (gaya lemah). Keempat gaya ini dibawa oleh partikel boson: photon membawa electromagnetism, gluon membawa strong force dan Z dan W membawa weak force. Ketiga pembawa gaya ini dinamakan gauge boson. Sementara itu, higgs adalah partikel yang menyebabkan materi memiliki massa.
Gaya gravitasi dibawa oleh partikel boson yang bernama graviton. Namun partikel itu masih merupakan hipotesis, sehingga belum disertakan ke dalam Standard Model.
Asas Larangan Pauli
Fermion terikat pada sebuah prinsip yang bernama Pauli exclusion principle (Asas larangan Pauli). Prinsip ini dicetuskan oleh Wolfgang Pauli dari Austria. Berdasarkan prinsip ini, dua partikel fermion atau lebih yang identik tidak bisa mengisi tempat yang sama dalam waktu yang sama.
Contohnya tubuh kita dan dinding. Tubuh kita dan dinding sama-sama terbentuk dari sekelompok partikel fermion. Karena partikel fermion tidak bisa mengisi tempat yang sama dalam waktu yang sama, kita tidak bisa berjalan menembus dinding begitu saja. Begitu juga yang berlaku ketika pancaran air bertabrakan dengan pancaran air lainnya, karena air terbentuk dari dari sekelompok partikel fermion.
Sementara itu, yang terjadi pada partikel boson adalah sebaliknya: dua partikel boson atau lebih yang identik bisa mengisi tempat yang sama dalam waktu yang sama. Contohnya dua berkas cahaya yang saling menembus tanpa ada gangguan.
Contohnya tubuh kita dan dinding. Tubuh kita dan dinding sama-sama terbentuk dari sekelompok partikel fermion. Karena partikel fermion tidak bisa mengisi tempat yang sama dalam waktu yang sama, kita tidak bisa berjalan menembus dinding begitu saja. Begitu juga yang berlaku ketika pancaran air bertabrakan dengan pancaran air lainnya, karena air terbentuk dari dari sekelompok partikel fermion.
Sementara itu, yang terjadi pada partikel boson adalah sebaliknya: dua partikel boson atau lebih yang identik bisa mengisi tempat yang sama dalam waktu yang sama. Contohnya dua berkas cahaya yang saling menembus tanpa ada gangguan.
Properti Intrinsik
Tidaklah mudah untuk membedakan partikel-partikel sekecil itu satu dengan yang lainnya. Oleh karena itu, setiap partikel dasar memiliki intrinsic property (properti intrinsik) yang membuatnya menjadi unik dan dapat dibedakan. Paling sedikit ada lima properti intrinsik partikel dasar: spin, mass, electric charge dan colour charge.
Spin Angular Momentum
Di dalam fisika konvensional, kita mengenal angular momentum atau momentum sudut. Biasanya, angular momentum berkaitan dengan kecenderungan sebuah objek untuk terus berputar pada rate (tingkat) tertentu. Jika dianalogikan dengan Newton’s first law of motion (hukum gerak I Newton), konsep dasar angular momentum adalah sebagai berikut:
Sebuah objek yang berputar akan terus berputar dan sebuah objek yang tidak berputar tetap tidak akan berputar.
Spin angular momentum adalah angular momentum versi mekanika kuantum yang dimiliki oleh setiap partikel dasar, baik fermion maupun boson. Spin sering disalahartikan sebagai perputaran sebuah partikel terhadap axis-nya. Pada kenyataannya, istilah spin (berputar) adalah metafora: spin hanyalah properti intrinsik sebuah partikel dan tidak berkaitan dengan gerak apa pun termasuk gerak berputar.
Selain itu, setiap partikel dasar juga memiliki spin quantum number (nomor kuantum spin) atau biasa disingkat spin number. Berikut ini perinciannya:
Spin number berkaitan erat dengan spin angular momentun. Dengan menggunakan rumus berikut, kita bisa mengetahui pengaruh spin number terhadap spin angular momentum sebuah partikel.
Massa
Hampir semua partikel dasar memiliki massa. Fermion, semua partikelnya memiliki massa. Partikel fermion generasi satu cenderung lebih ringan daripada partikel fermion generasi dua, dan partikel fermion generasi dua cenderung lebih ringan daripada partikel fermion generasi tiga. Boson, hanya partikel gluon dan photon yang massless (tidak bermasa). Di dalam Standard Model, massa memiliki satuan eV/c^2 (electronvolt per speed of light square) dengan konversi 1 eV/c^2 = 1,79 x 10-36 kg.
Massa adalah energi. Partikel yang bergerak akan lebih masif daripada partikel yang diam karena partikel yang bergerak memiliki energi kinetic (kinetik). Namun partikel yang memiliki energi potential (potensial) akan lebih masif lagi. Contohnya proton. Proton terbentuk dari dua up quark dan satu down quark. Anggaplah massa sebuah proton sama dengan massa dua up quark dan satu down quark.
Massa adalah energi. Partikel yang bergerak akan lebih masif daripada partikel yang diam karena partikel yang bergerak memiliki energi kinetic (kinetik). Namun partikel yang memiliki energi potential (potensial) akan lebih masif lagi. Contohnya proton. Proton terbentuk dari dua up quark dan satu down quark. Anggaplah massa sebuah proton sama dengan massa dua up quark dan satu down quark.
Lalu masukkan massa masing-masing: up quark bermassa 2,3 MeV/c^2, down quark bermassa 4,8 MeV/c^2 dan proton bermassa 938,272 MeV/c^2.
Akan tetapi hasil dari perhitungan di atas membuktikan bahwa massa sebuah proton tidak sama dengan massa dua up quark dan satu down quark. Bagaimana bisa? Padahal sebuah proton terbentuk dari dua up quark dan satu down quark. Mengapa massa proton dengan partikel pembentuknya berbeda?
Karena massa adalah energi dan campur tangan energi kinetic dan energi potential sangat besar di dalamnya. Massa sebuah proton jauh lebih besar daripada massa pembentuknya karena ada campur tangan energi potential di sana. Dua up quark dan satu down quark hanya menyumbang 1% saja dari keseluruhan massa proton, 99%-nya datang dari energi potential yang dihasilkan oleh strong force (gaya kuat).
Namun ada pertanyaan lagi: mengapa energi potential mempengaruhi massa? Atau pertanyaan yang lebih mendasar: mengapa massa ada? Jawabannya ada pada sebuah mekanisme yang bernama Higgs mechanism. Dalam mekanisme ini, partikel-partikel dasar pembentuk materi saling berinteraksi dan dijembatani oleh partikel higgs boson. Singkatnya, keberadaan massa disebabkan oleh higgs field (zona pengaruh partikel higgs boson).
Karena massa adalah energi dan campur tangan energi kinetic dan energi potential sangat besar di dalamnya. Massa sebuah proton jauh lebih besar daripada massa pembentuknya karena ada campur tangan energi potential di sana. Dua up quark dan satu down quark hanya menyumbang 1% saja dari keseluruhan massa proton, 99%-nya datang dari energi potential yang dihasilkan oleh strong force (gaya kuat).
Namun ada pertanyaan lagi: mengapa energi potential mempengaruhi massa? Atau pertanyaan yang lebih mendasar: mengapa massa ada? Jawabannya ada pada sebuah mekanisme yang bernama Higgs mechanism. Dalam mekanisme ini, partikel-partikel dasar pembentuk materi saling berinteraksi dan dijembatani oleh partikel higgs boson. Singkatnya, keberadaan massa disebabkan oleh higgs field (zona pengaruh partikel higgs boson).
Gambar di atas menunjukkan partikel-partikel yang masuk ke dalam higgs field. Bahkan partikel higgs sendiri masuk ke dalam higgs field. Hanya gluon dan photon yang tidak masuk, sehingga keduanya tidak bermassa. Berikut ini perincian massa setiap partikel dasar:
Muatan Listrik
Electric charge (muatan listrik) atau sering disingkat charge memberikan reaksi terhadap fenomena listrik dan magnetis (elektromagnetis). Nilai charge partikel dasar didapat dari hasil perkalian koefisien charge-nya dengan ketetapan elementary charge (e=1,602×10^-19 C). Electron, partikel yang paling umum bagi kita, memiliki charge dan proton memiliki charge . Charge dijembatani oleh pertukaran photon, partikel pembawa gaya electromagnetic.
Berikut ini perincian charge setiap partikel dasar:
Berikut ini perincian charge setiap partikel dasar:
Ada beberapa istilah yang harus kita ketahui mengenai charge setiap partikel dasar:
- Partikel positif, yaitu partikel yang charge-nya . Contohnya up, charm dan top quark.
- Partikel neutral, yaitu partikel yang tidak memiliki charge. Contohnya neutrino (electron neutrino, muon neutrino dan tau neutrino).
- Partikel negatif, yaitu partikel yang charge-nya . Contohnya electron, muon dan tau.
Colour Charge
Salah satu sifat quark adalah tidak dapat berdiri sendiri. Partikel quark harus berikatan dengan partikel quark lainnya agar bisa membentuk materi, seperti dua partikel up quark yang berikatan dengan satu partikel down quark untuk membentuk satu partikel proton. Gaya yang bertanggung jawab mengikat partikel-partikel quark adalah strong force (gaya strong), dan gaya ini dijembatani oleh partikel gluon. Ingat, gaya ini hanya bekerja pada quark.
Colour charge adalah properti intrinsik yang berkaitan dengan interaksi strong partikel-partikel dasar quark. Properti ini tidak ada kaitannya dengan warna partikel atau apa pun yang berkaitan dengan hal tersebut. Para ilmuwan hanya menggunakan sistem warna sebagai analogi interaksi strong.
Ada sembilan colour (warna) beserta anticolour-nya: red (), green (), blue (), antired (), antigreen (), antiblue () dan white. Sebuah partikel quark memiliki dua colour charge: satu colour dan satu anticolour. Setiap colour mempunyai dua kemungkinan anticolour, sesuai dengan diagram di samping: blue bisa memiliki salah satu dari antigreen dan antired, green bisa memiliki salah satu dari antiblue dan antired dan red bisa memiliki salah satu dari antigreen dan antiblue.
Semua partikel dasar quark bisa memiliki salah satu dari ketiga colour dan salah satu dari ketiga anticolour. Selain quark memiliki colour white atau disebut sebagai colourless particle. Sementara partikel gluon, aktor utama di balik colour charge sendiri, memiliki colour charge yang lebih kompleks. Ada partikel gluon yang memiliki dua colour, empat colour dan enam colour.
Colour charge adalah properti intrinsik yang berkaitan dengan interaksi strong partikel-partikel dasar quark. Properti ini tidak ada kaitannya dengan warna partikel atau apa pun yang berkaitan dengan hal tersebut. Para ilmuwan hanya menggunakan sistem warna sebagai analogi interaksi strong.
Ada sembilan colour (warna) beserta anticolour-nya: red (), green (), blue (), antired (), antigreen (), antiblue () dan white. Sebuah partikel quark memiliki dua colour charge: satu colour dan satu anticolour. Setiap colour mempunyai dua kemungkinan anticolour, sesuai dengan diagram di samping: blue bisa memiliki salah satu dari antigreen dan antired, green bisa memiliki salah satu dari antiblue dan antired dan red bisa memiliki salah satu dari antigreen dan antiblue.
Semua partikel dasar quark bisa memiliki salah satu dari ketiga colour dan salah satu dari ketiga anticolour. Selain quark memiliki colour white atau disebut sebagai colourless particle. Sementara partikel gluon, aktor utama di balik colour charge sendiri, memiliki colour charge yang lebih kompleks. Ada partikel gluon yang memiliki dua colour, empat colour dan enam colour.
Antipartikel
Setiap partikel memiliki antipartikel, baik fermion maupun boson. Antipartikel ibarat oposisi bagi sebuah partikel. Contohnya quark dan antiquark, electron dan antielectron (dinamakan positron), W dan anti-W. Massa sebuah partikel dengan antipartikelnya sama, tetapi electric charge (muatan listrik) keduanya berbeda. Lebih lanjut lagi, susunan quantum number (nomor kuantum) keduanya juga berbeda.
Penutup
Inilah akhir dari pembahasan kita tentang Standard Model. Namun ini bukan akhir dari segala keunikan dan kerumitan teori-teori yang mencoba menjawab pertanyaan mendasar alam semesta. Standard Model dirancang oleh para ilmuwan untuk menjelaskan terbuat dari apakah alam semesta. Namun model ini belum menjelaskan semuanya. Dari berbagai sebuah gambar utuh pembentukan alam semesta, kita – melalui model ini – baru melihat tiga sampai empat potongan gambar. Masih banyak misteri pembentukan alam semesta yang terjadi pada skala subatomik, termasuk misteri gaya gravity (gravitasi).
Di atas semuanya, para ilmuwan tidak akan pernah berhenti. Mereka terus berusaha mengumpulkan potongan-potongan gambar lainnya dan menjawab segala ketidakyakinan terhadap ketidaklaziman dunia subatomik. Perjalanan yang harus mereka tempuh masih panjang, dan mereka membutuhkan dukungan kita.
Di atas semuanya, para ilmuwan tidak akan pernah berhenti. Mereka terus berusaha mengumpulkan potongan-potongan gambar lainnya dan menjawab segala ketidakyakinan terhadap ketidaklaziman dunia subatomik. Perjalanan yang harus mereka tempuh masih panjang, dan mereka membutuhkan dukungan kita.
Balikpapan, 13 Agustus 2015
Hary Irfantri
Referensi:
Becker, K., Becker, M. & Schwarz, J., 2006. String Theory and M-Theory. New York: Cambridge University Press.
Weinberg, S., t.thn. The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe. s.l. Fontana Paperback.
Western Washington University, 2013. The Evolution of the Universe. Washington: s.n.
http://physics.info/
http://home.web.cern.ch/
http://www.actforlibraries.org/
http://abyss.uoregon.edu/
https://en.wikipedia.org/
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/
http://www.science.uwaterloo.ca/
http://www.livescience.com/