Salah satu pertanyaan yang ingin dijawab oleh para fisikawan adalah:
Apa “batu bata” penyusun berbagai macam zat di alam semesta?
Menurut Anaximenes dari Miletus, alam semesta tersusun atas air (water), api (fire), tanah (earth), dan udara (air) yang saling berkaitan satu sama lain seperti pada gambar berikut.
Para filsuf pada zaman 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. Democritus menyebutnya sebagai atomos.
Berkat kontribusi kimiawan-kimiawan sejak abad ke-17 seperti Robert Boyle, Antoine Lavoisier, John Dalton, dan Mendeleev, manusia mulai mengenal beberapa atom dan punya tabel periodik.
Alasan mengapa atom tertentu ditempatkan pada baris dan kolom tertentu pada tabel periodik dapat dipahami lebih baik setelah berkembangnya mekanika kuantum, yang dipelopori ilmuwan-ilmuwan abad ke-20. Di antara mereka adalah Planck, Einstein, J. J. Thomson, Rutherford, Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schrodinger, dan Born.
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 di sini, 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? Ternyata belum!
Jadi, bagaimana?
Melalui berbagai eksperimen yang dilakukan di laboratorium-laboratorium pemercepat partikel dan dari pengamatan sinar kosmik diketahui bahwa proton dan neutron hanyalah dua dari sebuah “kebun binatang” partikel-partikel yang masuk ke dalam kelompok hadron.
Hadron (termasuk proton dan neutron) tersusun atas quark-quark dan gluon-gluon, demikianlah menurut model standar fisika partikel (Standard Model of Particle Physics). Apa lagi ini?
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 ada 6 antipartikelnya, 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, sekadar nama. Total untuk quark ada 6 x 3=18, dan 18 anti-quark, 18+18=36.
Hanya partikel ber-“warna” yang dapat berinteraksi kuat, analog dengan hanya partikel bermuatan listrik yang dapat berinteraksi secara elektromagnetik. Pada tabel di atas, lepton tidak dapat berinteraksi kuat, dan neutrino tidak dapat berinteraksi elektromagnetik, tetapi semuanya (lepton dan quark) dapat berinteraksi lemah.
Foton adalah partikel yang “membawa” gaya elektromagnetik. Adapun partikel yang bertanggung jawab membawa gaya-gaya lainnya adalah sebagai berikut:
Model standar fisika partikel juga butuh minimal satu Higgs boson. Partikel ini berperan sebagai mekanisme agar partikel-partikel elementer yang sudah dijelaskan sebelumnya dapat bermassa. 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 Fisika yang terkait perumusan teori ini, yaitu kepada Glashow, Weinberg, dan Salam pada tahun 1979 untuk teori interaksi lemah dan kepada Nambu pada tahun 2008 untuk mekanisme perusakan simetri secara spontan. Apa itu mekanisme perusakan simetri spontan? Panjang ceritanya, Nak. Sayang sekali kita tidak bisa menjelaskannya di sini.
Pengamatan osilasi neutrino, yaitu bahwa neutrino dapat berganti “rasa”, menunjukkan setidaknya ada 2 dari 3 neutrino yang bermassa. Ini berarti model standar juga perlu dimodifikasi sedikit. Keberadaan massa neutrino ini dapat diakomodasi dengan cara mengubah (menambah) beberapa parameter pada model standar.
Selain itu, LHC (Large Hadrons Collider), yaitu akselerator partikel yang beroperasi sejak 2008, pada rilis terkini mengabarkan penemuan partikel yang terkonfirmasi sebagai Higgs boson. Partikel Tuhan… begitulah koran dan televisi menyebut partikel yang baru ditemukan oleh eksperimen di Large Hadron Collider (LHC) tanggal 4 Juli 2012 lalu. Tentu saja istilah ini membawa “kontroversi” karena banyak yang tidak nyaman dengan istilah ini. Keberadaan partikel ini diramalkan oleh Peter Higgs tahun 1964 yang lalu sehingga disematkanlah nama Higgs di dalamnya.
Nama partikel Tuhan sendiri dipopulerkan oleh nobelis Fisika Leon Lederman di bukunya “The God Particle”. Gosipnya Leon Lederman akan memberi judul buku itu “The Goddamn Particle”, alias “partikel sialan” karena Higgs boson susah sekali ditemukan. Penerbit buku tidak setuju dengan judul pilihan Lederman dan akhirnya judulnya dipersingkat menjadi “The God Particle”. Tentu saja media akan lebih mudah mengingat nama partikel Tuhan daripada partikel Higgs boson. Jadilah berita-berita menyebut Higgs boson dengan partikel Tuhan walaupun para fisikawan sama sekali tidak pernah memakai istilah tersebut dalam jurnal-jurnal penelitian.
Kenapa Lederman sedemikian “bencinya” dengan partikel ini? Dalam bukunya, Lederman mengatakan bahwa partikel ini tepat dinamakan partikel sialan karena sukarnya mencari Higgs boson sehingga diperlukan waktu puluhan tahun, oleh ribuan fisikawan dari berbagai negara, dan laboratorium sebesar puluhan kali lapangan sepakbola untuk mencarinya. Tentu saja ada alasan untuk kesukaran ini.
Singkat cerita, secara keseluruhan, menurut model standar fisika partikel, minimalnya ada sebanyak 12+36+12+1=61 macam partikel elementer. Bisa saja partikel yang sekarang kita sebut elementer ternyata tidak elementer, masih punya sub-struktur. Bisa juga ternyata ada lebih dari tiga generasi quark dan lepton.
Uniknya, sejumlah partikel “batu bata” tersebut baru secuil saja dari misteri alam semesta. Alam semesta masih menyimpan misteri lain yang membuat pusing fisikawan berupa materi-materi yang tidak jelas karakteristik fisisnya tetapi materi tersebut harus ada untuk menjelaskan fenomena alam. Namanya adalah dark matter dan interaksi yang berperan adalah dark energy. Semoga saja kita bisa segera mengerti makhluk-makhluk “gelap” itu.
Bahan bacaan:
- F. Halzen and A. D. Martins, “Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics,” John-Wiley & Sons (1984).
- L. Lederman, “The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?” Delta Publisher (1993).
- http://en.wikipedia.org/wiki/Atom
- http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Model
- http://en.wikipedia.org/wiki/Neutrino_oscillation
- http://en.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider
- http://en.wikipedia.org/wiki/Higgsless_model
- http://en.wikipedia.org/wiki/Higgs_boson
Penulis:
Zainul Abidin, dosen STKIP Surya, alumnus College of William & Mary, Amerika Serikat.
Kontak: zxabidin(at)yahoo(dot)com.
