Mengenal Model Standar dalam Fisika Partikel

“What we are?” sebuah pertanyaan yang cukup familiar di telinga kita, dan kita bisa mengatakan bahwa sains hari ini telah memiliki jawaban untuk itu. Sejauh ini ilmu yang kita dapatkan mengatakan bahwa kita terbuat atau tersusun dari materi-materi yang kita sering dengar dengan partikel fundamental. Dan berikut adalah pengantar mengenai model standar dalam fisika yang menggabungkan partikel dasar di alam.

Apa itu Model Standar?

Model Standar dalam fisika partikel adalah teori yang dikembangkan sekitar tahun 1970-an. Teori ini mengintegrasikan semua jenis partikel fundamental di alam dan partikel yang mengatur interaksinya satu sama lain. Model standar terdiri dari 17 blok. Mereka adalah enam quark, enam lepton, empat partikel carriers (partikel kurir, partikel perantara), dan satu Higgs Boson. 6 Lepton dan 6 quark adalah blok materi yang disebut Fermion dan lima sisanya disebut Boson.

Partikel-partikel dalam model ini yang kemudian dapat kita gunakan untuk menjelaskan segala sesuatu tentang fisika, kecuali gravitasi.  Secara umum, terdapat tiga jenis partikel dalam model ini, yaitu sebagai berikut:

    Boson, sebagai partikel pembawa gaya (force carrying particles)

    Quark, sebagai partikel materi (matter particles)

    Lepton, sebagai partikel energi (energy-like particle)

Sejak pertama kali dipublikasikan tahun 1978 hingga saat ini, The Standard Model masih menjadi model yang dianggap cukup komprehensif untuk menjelaskan aneka ragam partikel elementer. Meskipun ia tidak memasukkan energi gelap maupun teori penuh gravitasi seperti yang dijelaskan oleh relativitas umum. Teori ini tidak mengandung partikel materi gelap yang memiliki semua sifat yang diperoleh dari observasi  kosmologi.

Mari kita bahas satu per satu.

Fermions Dalam Model Standar

Fermions mematuhi prinsip yang terkenal dalam mekanika kuantum yaitu pengecualian Pauli atau prinsip larangan Pauli. Secara sederhana, prinsip ini menyatakan bahwa tidak ada dua fermion yang dapat berada di tempat yang sama pada saat yang sama. Elektron, proton, neutron, dan quark adalah fermion. Demikian pula, fermion-fermion ini bergabung membentuk materi atau juga hal-hal seperti molekul, manusia, dinding, dll. Dalam dunia makroskopis, seseorang tidak dapat melewati dinding kecuali dinding tersebut dihilangkan. Oleh karena itu, dua fermion (manusia dan dinding) tidak dapat berada pada posisi yang tepat pada waktu tertentu.

Quark

fisika partikel

Ada enam jenis quark dalam model standar. Mereka adalah: up, down, strange, charm, top, and bottom. Up dan down adalah varietas quark yang paling ringan, pasangan kedua adalah strange dan charm yang agak lebih berat dari pasangan sebelumnya, dengan muatan -1/3 e dan +2/3 e untuk masing masing quark strange dan quark charm. Pasangan quark yang lebih berat lagi adalah top dan bottom dengan muatan +2/3 e dan -1/3 e untuk masing masing jenis quark.

Quark berikatan menjadi Triplets atau Doublets yang memunculkan partikel baru. Triplets (tiga quark) yang berbeda bergabung bersama untuk membentuk Baryons. Sebagai contoh partikel lamda adalah Baryons yang terdiri dari u, d, dan s quark. 

Doublets (dua quark) bergabung membentuk Meson. Meson terbentuk dari quark up dan down yang bergabung dengan antiquarknya. Pi-meson, atau pion, merupakan meson paling ringan dan komponen penting dari sinar kosmik, terdiri dari tiga bentuk: dengan muatan e (atau 1), dengan muatan 0, dan dengan muatan −e (atau −1). Dalam keadaan positif, quark up bergabung dengan antiquark down; quark down bersama dengan antiquark up menyusun pion negatif; dan pion netral adalah campuran mekanis kuantum dari dua keadaan, uu dan dd di mana huruf miring menunjukkan antiquark (antiquark sebenarnya huruf dengan garis di atasnya)

Baryons dan Mesons, Baryon (dari bahasa Yunani untuk “berat”) termasuk proton dan partikel yang lebih berat; meson (dari kata Yunani untuk “antara”) adalah partikel dengan massa antara elektron dan proton. Keduanya masuk dalam kategori Hadron.

Baryons selanjutnya diklasifikasikan menjadi Nucleons and Hyperons. Nukleon adalah proton dan neutron yang berada di dalam inti atom. Proton dan neutron terdiri dari dua jenis quark. Proton terdiri dari dua quark up dengan muatan +2/3  e dan satu quark down dengan muatan -1/3 e, yang memberikan muatan pada proton adalah +e. Sedangkan neutron terdiri dari satu quark up dan dua quark down, yang memberikan muatan pada neutron adalah 0 atau tidak bermuatan. Sedangkan Hyperons adalah strange partikel, kelompok Baryon yang berisi setidaknya satu quark strange.

Lepton

Enam fermion lainnya disebut lepton. Kata Yunani “leptos” berarti “tipis”, “halus” atau “kecil”. Karena lepton tidak saling mengikat, mereka tampaknya adalah partikel “tipis”. Lepton terdiri dari elektron, muon, partikel tau bersama dengan tiga neutrino.

1.      Partikel subatom yang paling dikenal adalah elektron, komponen atom yang membuat ikatan interatomik dan reaksi kimia. Elektron juga merupakan partikel pertama yang ditemukan. Muatan negatifnya sebesar 1,6 × 10-19 coulomb tampaknya menjadi unit dasar muatan listrik. Elektron, dengan massa 0,511 mega elektron volt (MeV; 106 eV), adalah yang paling ringan dari lepton bermuatan.

2.      Lepton bermuatan berikutnya adalah muon, namun lebih berat. Muon memiliki massa 106 MeV, yang sekitar 200 kali lebih besar dari massa elektron tetapi secara signifikan lebih kecil dari massa proton 938 MeV. Berbeda dengan elektron, yang tampaknya benar-benar stabil, muon meluruh 2,2 juta per detik menjadi elektron, neutrino, dan antineutrino setelah waktu hidup rata-rata (lifetime). Proses ini, seperti peluruhan beta dari neutron menjadi proton, elektron, dan antineutrino, terjadi melalui gaya lemah. Eksperimen telah menunjukkan bahwa kekuatan intrinsik dari reaksi yang mendasarinya adalah sama pada kedua jenis peluruhan, sehingga mengungkapkan bahwa gaya lemah bertindak sama terhadap lepton (elektron, muon, neutrino) dan quark (yang membentuk neutron dan proton).

3.      Leptop bermuatan yang jauh lebih berat adalah tau. Tau, dengan massa 1.777 MeV, bahkan lebih berat dari proton dan memiliki waktu hidup yang sangat singkat sekitar 10−13 detik. Seperti elektron dan muon, tau memiliki neutrino yang terkait. Tau dapat meluruh menjadi muon, ditambah tau-neutrino dan muon-antineutrino; atau dapat meluruh langsung menjadi elektron, ditambah tau-neutrino dan elektron-antineutrino. Karena tau itu berat, tau juga bisa meluruh menjadi partikel yang mengandung quark. Dalam satu contoh tau meluruh menjadi partikel yang disebut pi-meson (lihat di Quark), yang disertai oleh tau-neutrino. Ditemukan pada tahun 1975.

4.      Neutrino (Neutral leptons) adalah subkelompok penting dalam lepton. Berbeda dengan lepton bermuatan, neutrino adalah lepton yang netral dan tidak berada dalam pengaruh gaya elektromagnetik. Neutrino hanya dipengaruhi oleh gaya lemah dan gravitasi. Karena alasan ini, neutrino bereaksi sangat lemah terhadap materi. Sebagai contoh mereka dapat melewati bumi tanpa berinteraksi, yang membuatnya sulit untuk dideteksi dan mengukur sifatnya. Meskipun netral, neutrino tampaknya membawa sifat pengidentifikasi yang mengaitkannya secara khusus dengan satu jenis lepton bermuatan.  Contoh ketika pada peluruhan muon, antineutrino yang dihasilkan bukan hanya antipartikel neutrino yang muncul muncul juga neutrino membawa ciri khas tipe muon, sedangkan antineutrino, seperti antineutrino yang dipancarkan ketika neutron meluruh, selalu merupakan elektron-antineutrino. Dalam interaksi dengan materi, elektron-neutrino dan antineutrino tidak pernah menghasilkan muon, hanya elektron. Demikian juga, muon-neutrino hanya memunculkan muon, tidak pernah elektron.

Boson Dalam Model Standar

Ada empat gaya fundamental di alam. Gaya elektromagnetik, gaya kuat, dan gaya lemah, serta gravitasi. Setiap gaya memainkan peran antara partikel-partikel karena beberapa sifat partikel, muatan untuk elektromagnetisme, color untuk gaya kuat (strong force), dan varietas atau flavour untuk gaya lemah (weak force). Boson yang terkait dengan masing-masing gaya disebut gauge boson, foton untuk elektromagnetisme, gluon untuk gaya kuat, dan boson W dan Z untuk gaya lemah, serta gravito untuk gravitasi. Namun 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.

Foton

Foton adalah pembawa fundamental dari gaya elektromagnetik. Ini berarti bahwa setiap kali elektron “mengusir” elektron atau elektron menarik proton, foton dipertukarkan di antara keduanya. Foton adalah partikel tanpa massa dan tanpa muatan. Mereka memiliki jangkauan yang tidak terbatas.

Gluon

Gaya alam lainnya yang mengikat partikel-partikel dalam nukleus adalah gaya kuat. Gluon adalah pembawa fundamental gaya ini. Gluons merekatkan quark dan mereka juga merekat pada diri mereka sendiri. Ini adalah alasan mengapa rentang gaya kuat tidak melampaui nukleus. Namun, nukleus akan meledak tanpa gluon.

W And Z Bosons

fisika partikel

Bos W & Z adalah pembawa gaya lemah di alam. Gaya-gaya ini mengatur interaksi antara varietas partikel-partikel. Menurut mekanika kuantum, neutrino kadang ditemukan sebagai kombinasi dua partikel semu, elektron dan boson W +. Neutrino memperoleh muatan lemah dalam plasma karena pelindung yang tidak seragam dari partikel semu. Interaksi seperti ini disebut sebagai Interaksi elektroweak.

Higgs Boson

Partikel yang paling baru ditemukan dalam Model Standar Fisika Partikel adalah Higgs Boson. Keberadaan Higgs boson dikonfirmasi pada tahun 2012 oleh eksperimen berdasarkan pada tumbukan di LHC di CERN. Higgs boson adalah boson yang berinteraksi dengan partikel lain penyusun materi dan menyebabkan partikel penyusun materi ini memiliki massa.

Model standar memang merupakan sesuatu yang indah. Tetapi masih belum bisa menjawab berbagai misteri sejauh ini seperti- Mengapa neutrino memiliki massa? Apa itu materi gelap dan energi gelap?

Ini adalah pertanyaan yang masih perlu dijawab. Ketika dijawab, mereka akan mengubah bentuk model standar Fisika yang ada. Terlepas dari semua kekosongan ini, model standar selama 50 tahun terakhir membantu para ilmuwan untuk menjelaskan sebagian besar dunia yang terlihat di sekitar kita.

sumber pustaka

semoga artikel ini bermanfaat dan menambah wawasan kita semua. sampai jumpa di artikel-artikel berikutnya, jangan lupa share
fisika partikel
loading...

Mahasiswa Fisika UNM Makassar.

Leave a Reply

%d bloggers like this: