[oleh: Zainul Abidin, alumni Fisika ITB]

Salah satu pertanyaan yang ingin dijawab oleh para fisikawan adalah:

» Apa “batu bata” penyusun berbagai macam zat-zat di alam semesta?

Menurut Anaximenes dari Miletus [1], alam semesta tersusun dari:

Para filsuf pada jaman itu masih beranggapan bahwa semua zat dapat dibagi terus-menerus hingga sekecil-kecilnya. Konsep bahwa ada zarah yang paling kecil dan tidak dapat dibagi-bagi lagi, muncul sejak abad ke-6 sebelum Masehi di India oleh Nyaya dan Vaisheshika, lalu oleh Democritus dari Yunani [2]. Democritus menyebutnya sebagai atomos.

Berkat kontribusi dari kimiawan-kimiawan sejak abad ke-17 seperti Robert Boyle, Antoine Lavoisier, John Dalton, Mendeleev, dll. manusia mulai mengenal beberapa atom dan punya tabel periodik:

Mengapa atom tertentu ditempatkan pada baris dan kolom tertentu pada table periodik dapat dipahami lebih baik setelah berkembangnya mekanika kuantum, yang dipelopori ilmuwan-ilmuwan abad ke-20 seperti: Planck, Einstein, J. J. Thomson, Rutherford, Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schrodinger, Born dll.

Karena ulah Rutherford, dipahami bahwa atom masih dapat dibagi lagi menjadi elektron dan inti atom yang saling tarik menarik dengan gaya elektromagnetik. Elektron bermuatan listrik negatif dan inti atom bermuatan positif. Muncul masalah yaitu inti atom helium yang muatannya dua kali muatan inti atom hidrogen ternyata punya massa 4 kali massa inti atom hidrogen. Berkat penemuan Chadwick diketahui bahwa perbedaan rasio massa dan muatan ini karena inti atom tidak hanya tersusun atas proton yang bermuatan positif tapi juga neutron yang tidak bermuatan, yang massanya hampir sama.

Sekian banyak unsur-unsur pada tabel periodik disusun hanya oleh 4 jenis partikel: elektron, proton, neutron, dan tidak ketinggalan juga foton: partikel yang “membawa” gaya elektromagnetik. Cukupkah sampai di sini? Belum.

Melalui eksperimen yang dilakukan di laboratorium-laboratorium pemercepat partikel dan dari pengamatan sinar kosmik diketahui bahwa proton dan neutron hanyalah dua dari se-kebon-binatang (lebay nih ) partikel-partikel yang masuk dalam kelompok hadron.

Hadron (termasuk proton dan neutron) tersusun atas quark-quark dan gluon-gluon, demikian menurut Model Standar fisika partikel (Standard Model of Particle Physics).

Apaan tuh?

» Partikel elementer menurut Model Standar

Menurut Model Standar, “batu bata” penyusun zat-zat di alam semesta ini terdiri atas quark dan lepton. Partikel-partikel ini saling berinteraksi secara: elektromagnetik, interaksi lemah, dan interaksi kuat. Model Standar ini mengabaikan interaksi gravitasi antara partikel.

“Tabel periodik” partikel elementer ternyata lebih sederhana:

Q adalah muatan listrik dalam satuan muatan proton. Ada 6 “rasa” (flavors) yang dikelompokkan dalam 3 generasi. Masing-masing punya anti partikel. Untuk lepton ada 6 “rasa” dan 6 anti partikelnya, 6+6=12. Untuk quark, selain punya rasa juga punya 3 macam “warna” (colors) yaitu merah, hijau, dan biru. Warna di sini tidak ada kaitannya dengan persepsi mata terhadap cahaya tampak, begitu juga “rasa” tidak ada kaitannya dengan lidah, sekedar nama. Total untuk quark ada 6 x 3=18, dan 18 anti-quark, 18+18=36.

Hanya partikel ber“warna” yang dapat ber-interaksi-kuat, analog dengan hanya partikel bermuatan listrik yang dapat berinteraksi secara elektromagnetik. Pada tabel di atas, lepton tidak dapat ber-interaksi-kuat, dan neutrino tidak dapat ber-interaksi-elektromagnetik, tapi semuanya (lepton dan quark) dapat ber-interaksi-lemah.

Foton adalah partikel yang “membawa” gaya elektromagnetik, adapun partikel yang bertanggung jawab membawa gaya-gaya lainnya adalah sebagai berikut:

Model Standar fisika partikel butuh minimal satu partikel Higgs. Meskipun sampai sekarang belum terbukti keberadaannya. Menurut Model Standar ini, elektron, muon, tau, quark, W⁺, W^-, Z memiliki massa karena keberadaan medan Higgs, melalui mekanisme perusakan simetri secara spontan (spontaneous symmetry breaking). Sudah ada beberapa hadiah nobel yang terkait, yaitu kepada Glashow, Weinberg dan Salam pada tahun 1979 untuk teori Elektroweak dan kepada Nambu pada tahun 2008 ini untuk mekanisme perusakan simetri secara spontan (Goldstone juga punya andil dan pantas iri). Apa itu mekanisme perusakan simetri spontan? Panjang ceritanya Nak. Huahahahaha…

Pengamatan osilasi neutrino [3], yaitu bahwa neutrino dapat berganti “rasa”, menunjukkan bahwa paling sedikit 2 dari 3 neutrino bermassa. Ini berarti bahwa Model Standar perlu dimodifikasi. Keberadaan massa neutrino ini dapat diakomodir dengan cara mengubah (menambah) beberapa parameter pada Model Standar. Adapun jika LHC (Large Hadrons Collider) yang beroperasi tahun depan (mudah-mudahan tidak rusak lagi) tidak menemukan Higgs, maka fisikawan perlu mencari mekanisme alternatif bagaimana partikel-partikel elementer di atas bermassa [4]. Beberapa model alternatif yang tidak membutuhkan Higgs dapat dibaca di referensi [5] dan [6].

Secara keseluruhan, menurut Model Standar fisika partikel, minimal ada 12+36+12+1=61 macam partikel elementer. Bisa saja partikel yang sekarang kita sebut elementer ternyata tidak elementer: masih punya substructure. Bisa juga ternyata ada lebih dari tiga generasi quark dan lepton. Bagaimana dengan dark matter? Itu urusan fisikawan-fisikawan yang bergabung dengan the dark side. Semoga kita terlindungi dari pengaruh ilmu hitam mereka.
May the force be with us.

Terimakasih kepada sdr. Jong Anly Tan untuk kritik dan sarannya.

» Referensi:

1. [1] F. Halzen and A. D. Martins, “Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics”, John-Wiley &Sons. 1984.
2. [2] http://en.wikipedia.org/wiki/Atom
3. [3] http://en.wikipedia.org/wiki/Neutrino_oscillation
4. [4] Meskipun semua partikel elementer tidak bermassa, hadron yang merupakan partikel komposit dapat memiliki massa diam. Ingat persamaan terkenal m = E/c².
5. [5] http://en.wikipedia.org/wiki/Higgsless_model
6. [6] Phys.Rev.Lett.92:101802,2004, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0308038. http://arxiv.org/abs/hep-ph/0510275