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

Jadi, cerita berawal dari groupnya Oom Peter Higgs (University of Edinburgh) yang “kurang kerjaan” menghitung, sampai-sampai keasyikan dan ngelunjak (hehe.. :d ), dan akhirnya mereka propose bahwa ada partikel yang muncul dari interaksi partikel-partikel dasar pada proton, yang selanjutnya partikel itu diberi nama Higgs Boson. Kira-kira seperti ini kisahnya: quark dan anti-quark (partikel-partikel pembentuk proton) diikat oleh interaksi yang bernama Gluon (g). Nah, “si Gluon” ini bisa decay menjadi top (t) dan anti-top (t-bar). Interaksi antara top dengan anti-top inilah yang menghasilkan partikel Higgs Boson.

Lalu, apa kaitannya dengan si “monster” LHC (Large Hadron Collider) ini? LHC ini sebenarnya “hanya” bertujuan untuk mempercepat partikel sehingga energinya, yang juga berarti panjang gelombangnya, cukup untuk mendeteksi Higgs Boson. Berapa energi yang dibutuhkan? Entahlah… Tapi berdasarkan presentasi salah satu scientist LHC, Els Koffeman, September lalu, accelerator LHC bisa “memproduksi” partikel dengan energi berorde TeV atau setara dengan panjang gelombang 10^-18 m .

Kapan Higgs Boson ini terdeksi? No one knows… Fasilitas yang berada 100m di bawah permukaan tanah negara Perancis dan Swiss, dengan lintasan total sekitar 27km, menghabiskan dana sekitar ini 6,4 Miliar Euro, melibatkan lebih dari 1200 fisikawan, dan melibatkan 34 negara ini, akan terus beroperasi dan memproduksi data.

Nah, apa yang terjadi kalau Higgs Boson ini tak kunjung muncul? Pastinya Standard Model dipertanyakan.

Seandainya muncul, lalu bagaimana? Misteri terbentuknya tata surya ini bisa segera terkuak. Saat LHC untuk pertama kalinya dioperasikan, sempat muncul kekhawatiran akan terbentuk black hole yang akan “menelan” semua yang ada di muka bumi. Walaupun itu tidak (dan sangat tidak mungkin) terjadi, banyak orang-orang ketakutan. Di China sempat terdengar berita ada seorang pemuda yang bunuh diri begitu mendengar LHC ini akan dioperasikan .

Berita terakhir menyebutkan ada kebocoran pada container Helium untuk pendingin Superconducting Coil-nya. Sekarang fasilitas ini masih berada dalam perbaikan, dan diperkirakan akan rampung pada akhir November 2008. Namun diperkirakan LHC tidak akan beroperasi setidaknya sampai musim semi mendatang .

Yah, kita tunggu saja para nobel laurates di bidang fisika dalam 10 tahun ke depan yang kemungkinan akan muncul dari fasilitas ini.

Mungkin kita pernah menyaksikan film-film perang yang menggambarkan suatu ledakan bom nuklir. Tetapi sesungguhnya dari 195 negara di dunia ini tercatat hanya 20 negara yang memiliki senjata nuklir. Delapan diantaranya memiliki jumlah yang terbanyak, yaitu: (1) Amerika Serikat; (2) Rusia; (3) Inggris; (4) Perancis; (5)China; (6) India; (7) Pakistan; (8) Israel. Delapan negara inilah yang memiliki teknologi terdepan dalam mengembangkan senjata nuklir. Ketika prestise, simbol, dan rasa keamanan menjadi hal penting, masuk akal kalau di luar delapan negara tadi masih ada banyak negara yang memendam hasrat untuk memiliki senjata yang berkekuatan dahsyat itu.

[Contoh ledakan bom nuklir, sumber: http://i100.photobucket.com]

Tanggal 6 Agustus 63 tahun yang lalu, kota Hiroshima di Jepang menjadi korban ‘little boy’ yang dijatuhkan melalui pesawat B-29 Superfortress Enola Gay yang dikendalikan oleh Kolonel Paul Tibetts. 3 hari kemudian tipe yang lebih kuat, ‘fat man’ dijatuhkan di kota Nagasaki.

[Ledakan bom atom kali pertama di Hiroshima, sumber http://media-2.web.britannica.com]

Inilah peristiwa pertama bom nuklir digunakan dalam medan perang. Sebenarnya apa yang terjadi ketika bom nuklir itu dijatuhkan? Bagaimana mekanisme yang terjadi ketika bom nuklir itu digunakan? Sesungguhnya, manusia telah mengalami suatu lompatan dalam ilmu sains dengan adanya teknologi pemusnah massal, bom nuklir.

[Hasil ledakan bom nuklir di Hiroshima http://seattletimes.nwsource.com]

» TINJAUAN FISIKA pada BOM NUKLIR

Dalam bom nuklir terdapat dua jenis interaksi gaya yaitu, interaksi kuat dan interaksi lemah, yang menyebabkan nukleus dalam atom tetap terikat satu sama lain, terutama untuk atom-atom yang memiliki ikatan nuklida yang tak stabil. Dalam hal ini, terdapat dua cara bagaimana energi nuklir dapat dihasilkan dari suatu atom:

1. Fisi Nuklir, yaitu memisahkan nukleus dari suatu atom menjadi dua bagian yang lebih kecil dengan sebuah neutron. Biasanya metode ini menggunakan isotop-isotop uranium seperti U-235 atau U-233 atau dapat pula menggunakan Plutonium-239.

   
   [Proses terjadinya reaksi fisi nuklir, sumber: http://www.knutsford-scibar.co.uk]

2. Fusi Nuklir, yaitu menggabungkan 2 jenis atom-atom kecil seperti atom hidrogen atau isotopnya seperti deuterium atau tritium menjadi atom yang lebih besar (misal: Helium). Proses ini sama halnya dengan apa yang terjadi di matahari kita.

   
   [Proses terjadinya reaksi fusi nuklir http://www.worsleyschool.net]

Pada kedua proses di atas, baik fisi maupun fusi dapat mengeluarkan energi panas yang sangat besar jumlahnya dan tidak lupa, radiasi yang mungkin berbahaya (?, ?, ?, sinar-X, neutron, dll).

» BOM ATOM DAN JUMLAH ENERGINYA

Bom atom (atau bom fisi) menggunakan suatu atom berat seperti U-235 untuk menghasilkan ledakan nuklir. U-235 (Uranium dengan nomor massa 235) memiliki beberapa karakteristik tambahan yang menyebabkan atom ini dapat digunakan baik untuk keperluan pembangkit energi listrik atau penghasil bom atom. U-235 merupakan salah satu dari beberapa material yang dapat mengalami reaksi fisi terinduksi. Jadi, ketika sebuah neutron bebas menumbuk inti U-235, maka U-235 menjadi tidak stabil dan akan segera membelah menjadi inti-inti atom lain yang lebih kecil dan diikuti dengan dua atau tiga buah neutron baru (lihat gambar reaksi fisi). Atom-atom baru yang terbentuk akan mengemisikan radiasi sinar gamma untuk mencapai keadaan stabilnya. Setidaknya ada tiga hal yang membuat reaksi fisi terinduksi menjadi sangat penting dan menarik antara lain:

1. Probabilitas atom U-235 untuk menangkap neutron bebas lebih besar daripada melewatkannya, sehingga atom ini sangat reaktif dengan keberadaan neutron bebas. Dalam ledakan bom atom lebih dari satu neutron dilepaskan pada tiap reaksi fisi yang terjadi. Oleh karena itu, hal ini dapat memicu terjadinya reaksi fisi lain disekitarnya. Reaksi ini yang kemudian terkenal dengan nama ‘reaksi berantai’. Keadaan yang demikian ini dinamakan keadaan superkritis (supercriticality).
2. Proses penangkapan neutron dan pembelahan atom terjadi sangat cepat, biasanya dalam orde pikosekon (10^-12 detik).
3. Peristiwa ini menghasilkan energi yang sangat besar jumlahnya dan disertai dengan panas yang luar biasa dan tidak lupa, radiasi sinar gamma. Untuk menghitung secara kuantitatif jumlah energi yang dihasilkan oleh reaksi fisi caranya sangat mudah.
   Misalkan, terjadi reaksi fisi sebagai berikut:

   U-235 + n ? produk fisi 1 + produk fisi 2 + n + 200 MeV

   Pada reaksi di atas, telah diketahui energi yang dihasilkan dalam sebuah reaksi fisi, nilai 200 MeV hanya sebuah perkiraan, perhitungan yang lebih baik dapat dilakukan dengan menjumlahkan nomor massa dari masing-masing produk fisi (misal: T), kemudian nomor massa U-235 dikurangi dengan T, sehingga 235 – T = S, dan S > 0, selanjutnya konversikan menjadi energi menggunakan persamaan E = mc² dan diperoleh energi yang dihasilkan reaksi fisi tersebut. Tidak sulit bukan? (mudah dari Hongkong…) =))
   Langkah selanjutnya ialah memperkirakan daya listrik yang dapat digunakan jika hanya sejumlah U-235 yang bereaksi (agar lebih mudah ambil 1 gram U-235 yang bereaksi). Dengan demikian,

   

Arti angka tersebut ialah bahwa kita dapat memperoleh daya listrik sekitar 1 MW dalam 1 hari dengan hanya menggunakan 1 gr U-235. Belum pernah liat kan energi sebesar ini???

Ternyata energi yang dapat dihasilkan oleh bom atom sangat besar jumlahnya. Hal inilah yang membuat 8 negara diatas dianggap sebagai negara yang sangat rentan terhadap peperangan, karena mereka yakin akan teknologi senjata nuklir yang mereka kembangkan di negaranya masing-masing. Di Indonesia? Tampaknya belum terlihat gelagat menuju ke arah sana…

» PUSTAKA

• Hanya dari catatan-catatan kuliah dan mikir-mikir sendiri… (halah!) :d

Memberi dan menerima sesuatu sebaiknya dengan tangan kanan.

Demikianlah pesan nenek, atas nama sopan santun. Ada apa dengan tangan kiri? Tangan kiri dipakai membersihkan diri setelah buang air dan buang upil. Hubungannya? Untuk menghindari orang lain terinfeksi kuman-kuman penyakit? Apapun alasannya dan entah siapa yang memulai, kebiasaan itu menjadi kesepakatan bersama orang-orang tempo doeloe. Bagaimana kalau kesepakatannya diganti? Mengingat dan menimbang bahwa tangan kanan lebih sering dipakai, maka peluang kuman-kuman penyakit hinggap di tangan kanan lebih besar.
Siapa yang setuju acungkan tangan kiri! :d

Kebudayaan-kebudayaan dunia pada umumnya mengaitkan kanan dengan kebaikan, kebenaran, sementara kiri dikaitkan dengan keburukan, kejahatan [lihat referensi 1]. Dalam kosakata bahasa Inggris, right bisa berarti kanan bisa juga berarti benar. Ini persoalan budaya yang tidak akan kita bahas di sini.
Muncul pertanyaan,

Mengapa populasi orang kidal lebih sedikit daripada non-kidal (kadal)? =))

Para ilmuwan belum sepakat tentang penyebab disparitas ini, mungkin genetik mungkin juga budaya [referensi 2].

Beberapa pertanyaan yang lebih menarik lagi adalah:

Apakah hukum alam membedakan kiri dan kanan? Apakah populasi orang kidal yang lebih sedikit menunjukkan bahwa hukum alam memang tidak simetrik kiri-kanan?

Dibutuhkan studi mendalam untuk membuktikannya. Fakta-fakta di atas tidak cukup untuk meyakinkan para fisikawan. Disparitas tersebut kemungkinan disebabkan bukan karena hukum alam membedakan kiri dan kanan, tetapi karena kebetulan sejarah belaka. Fisikawan butuh bukti yang benar-benar meyakinkan.

Contoh lain [referensi 3] yang mengindikasikan ketidaksimetrisan kiri-kanan: alanine salah satu jenis asam amino, penyusun protein, terbagi atas dua jenis: L-alanine dan D-alanine. Keduanya tersusun dari atom-atom yang sama, kecuali bahwa yang satu adalah cerminan dari yang lainnya. Ternyata alanine yang diperoleh dari makhluk hidup sebagian besar berupa L-alanine. Meskipun demikian, jika alanine dibuat di laboratorium dari karbondioksida, ethana dan methana, maka akan diperoleh molekul L-alanine dan D-alanine yang jumlahnya sama. Semua pengukuran di laboratorium, misalnya pengukuran energi dan laju reaksi menunjukkan simetri antara L-alanine dan D-alanine (referensi 3). Sepertinya hukum alam tidak membedakan kiri dan kanan.

Lalu mengapa protein dari makhluk hidup cuma mengandung L-alanine? Ilmuan cuma bisa menduga-duga. Karena suatu kebetulan belaka, makhluk hidup “primitif” (bersel satu) berjenis L-alanine menang dan mendominasi. Makhluk hidup berjenis D-alanine, tidak memiliki enzim untuk mencerna L-alanine, sehingga mereka mati kelaparan. Sekali lagi, disparitas L-alanine dan D-alanine pada protein makhluk hidup, tidak dapat meyakinkan kita bahwa hukum alam memang tidak simetrik kiri-kanan. Oleh karena tidak adanya bukti yang meyakinkan, hingga tahun 1956 para fisikawan masih percaya bahwa hukum alam simetrik terhadap pencerminan; Ganti kiri menjadi kanan dan kanan menjadi kiri.

Jadi apa yang dimaksud dengan hukum alam yang simetrik terhadap pencerminan?
Jika suatu proses fisika terjadi (kimia dan biologi adalah subset-nya tapi tidak kalah pentingnya) maka proses fisika lain yang merupakan cerminannya juga dapat terjadi dengan peluang yang sama. Fisikawan menyebut simetri kiri dan kanan ini sebagai parity invariance.
Pada tahun 1957 terjadi peristiwa yang sangat penting: Wu dan kawan-kawan mempublikasikan hasil eksperimen mereka [referensi 4]. Setahun sebelumnya T.D. Lee dan C. N. Yang, dalam artikel teoretik mereka [referensi 5] memprediksi kemungkinan pelanggaran simetri kiri-kanan ini dan mengusulkan eksperimen untuk membuktikannya. Artikel mereka nyaris diabaikan oleh komunitas fisika, tapi Lee berhasil membujuk koleganya C. S. Wu di Universitas Columbia untuk mencoba [referensi 6]. Kolega lainnya di U. Columbia, R. L. Garwin, Leon Lederman, and R. Weinrich, juga mencoba melakukan eksperimen berbeda [referensi 7], dengan kesimpulan yang sama.

Seperti apa eksperimennya? Wu dkk mengukur distribusi partikel beta yang terpancar pada peluruhan atom kobalt Co-60 menjadi nikel Ni-60:

Pertama, kita definisikan dulu arah “utara” dengan aturan tangan kanan. Jika 4-jari (selain jempol) menunjukkan arah rotasi maka “kutub utara” adalah arah jempol. Sekarang jika hukum alam simetrik kiri-kanan maka banyaknya partikel beta yang terpancar ke arah “utara” akan sama dengan yang terpancar ke arah “selatan”, karena yang satu adalah cerminan dari yang lainnya.

Hasil eksperimennya? Partikel beta sebagian besar terpancar ke arah “selatan”. Inilah bukti yang meyakinkan bahwa hukum alam tidak mematuhi simetri kiri-kanan.

Di alam semesta ini dikenal ada 4 cara partikel saling berinteraksi: gravitasi, elektromagnetik, strong interaction, weak interaction, yang penjelasannya di luar cakupan artikel ini (semoga suatu saat bisa kita bahas bersama). Sekarang dipahami bahwa simetri kiri-kanan SELALU dilanggar pada proses fisika yang melibatkan weak interaction.

Catatan: gambar-gambar dicomot dari internet dengan bantuan google tanpa izin pemiliknya. Gambar thumbs up diambil dari thesituationist.wordpress.com, gambar alanine dari www.ks.uiuc.edu, gambar beta decay dari education.jlab.org dengan sedikit modifikasi.

Referensi:
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Left_handedness
[2] http://www.cbc.ca/quirks/archives/05-06/jun10.html dalam file mp3 atau http://en.wikipedia.org/wiki/Handedness
[3] Feynman, Leighton, Sands. The Feynman Lectures on Physics, Vol. I, halaman.52-4. 1989, Caltech.
[4] C. S. Wu, E. Ambler, R. W. Hayward, D. D. Hoppes, dan R. P. Hudson, Phys. Rev. 105, 1413 (1957).
[5] T. D. Lee dan C. N. Yang, Phys. Rev. 104, 254 (1956).
[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Parity_(physics) atau http://ccreweb.org/documents/parity/parity.html
[7] R. L. Garwin, L. M. Lederman, R. Weinrich, Phys. Rev. 105, 1415 (1957).
[8] Parity violation dapat dibaca di buku teks fisika partikel: D. Griffith, Introduction to elementary particles.