Secara garis besar, yang ingin kita pelajari adalah materi penyusun alam semesta secara keseluruhan. Saat ini, ide tersebut telah dipelajari melalui fisika partikel dan teori string. Kedua teori bertujuan untuk menggambarkan komponen-komponen terkecil penyusun materi. Dasar pemikirian fisika partikel adalah partikel-partikel elementer. Jika kita melihat lebih ke dalam sebuah materi maka akan ditemukan partikel-partikel elementer. Teori string mengambil asumsi selangkah lebih jauh bahwa partikel-partikel tersebut merupakan hasil osilasi dari string elementer, string adalah obyek fundamental.
Mungkin sulit untuk mempercayai bahwa segala sesuatu terkomposisi dari partikel yang berukuran sangat kecil, karena mereka tidak dapat dilihat secara langsung oleh mata. Namun kenyataanya, partikel-partikel elementer merupakan unsur pokok yang membangun materi. Seperti bayangan pada layar komputer atau TV yang terkomposisi dari titik-titik (dot-dot) kecil kemudian tampak sebagai bayangan kontinu, mereka adalah materi yang tersusun oleh atom yang berarti tersusun dari partikel-partikel elementer. Obyek-obyek fisis yang tampak disekitar kita adalah kontinu dan uniform, namun pada kenyataannya tidak demikian.
Pernahkah kita berfikir, jika suatu materi (misalnya selembar kertas) kita pilah menjadi dua, kemudian hasil pilahannya kita pilah kembali menjadi dua, dan seterusnya. Andaikan kita memiliki kemampuan untuk terus memilah materi tersebut, maka kita akan sampai pada suatu keadaan dimana materi tersebut tidak dapat lagi kita pilah. Pada saat itu dapat dikatakan, kita telah mendapatkan satu bagian dari materi tersebut yang bersifat elementer. Bagian tersebut dikenal dengan istilah partikel elementer.
Ide bahwa komposisi yang ada didalam suatu materi di alam semesta ini tersusun dari partikel elementer berawal pada abad ke-6 sebelum masehi. Yang mempelajari mengenai hal tersebut diantaranya adalah filsuf Yunani kuno seperti Leucippus, Democritus dan Epicurus; filsuf India Kuno seperti Kanada, Dignaga dan Dharmakirti; kemudian disusul oleh ilmuwan medis seperti Alhazen, Ibnu Sina dan Al Ghazali; dan selanjutnya oleh fisikawan modern Eropa seperti Pierre Gassendi, Robert Boyle dan Isaac Newton. Teori mengenai partikel cahaya pun dikemukakan oleh Alhazen, Ibnu Sina, Gassendi dan Newton. Ide awal ini merupakan hal yang bersifat abstrak dan filosofis ketimbang eksperimen dan observasi empiris.
Setahap demi setahap para ilmuwan mulai menyingkap tabir dibalik materi yang ada di alam semesta ini. Cara pandang orang terhadap materi pun setahap demi setahap berubah seiring dengan teori-teori baru yang dikemukakan oleh para ilmuwan yang kemudian dibuktikan kebenarannya lewat eksperimen yang bersesuaian dengan teori tersebut, atau sebaliknya.
Pada tahun 1803, John Dalton mengemukakan pendapatnya bahwa setiap elemen di alam semesta ini tersusun oleh partikel yang bersifat tunggal dan unik, ia kemudian menyebut partikel tersebut dengan istilah atom, yang dalam bahasa Yunani kata atomos mengandung makna tidak terbagi. Diakhir abad ke-19 tepatnya tahun 1897, J.J.Thomson dan timnya menemukan elektron yang merupakan komponen dari semua jenis atom. Model atomnya kemudian dikenal dengan istilah plum pudding karena elektron digambarkan seperti kismis yang tersebar merata diatas pudding (yang bermuatan positif) , ini berarti atom tidak dapat lagi dikatakan sebagai partikel elementer. Awal abad ke 20 yaitu pada tahun 1909 Ernest Rutherford dan timnya menemukan fakta baru bahwa muatan positif tidak tersebar merata, melainkan terkonsentrasi pada inti atom yang terletak ditengah-tengah atom dimana elektron mengelilingi inti tersebut. Penemuan ini memicu berkembangnya teori mengenai inti atom dan perilaku elektron yang mengelilinginya. Tidak berhenti sampai disitu, jika elektron dapat dimasukkan dalam kategori partikel elementer, lain halnya dengan inti atom, ternyata inti atom pun merupakan partikel komposit dimana didalamnya terdapat proton dan neutron dalam jumlah tertentu. Di tahun 1919 Rutherford membuktikan bahwa inti hidrogen juga ditemukan pada inti atom lain. Hal ini dianggap sebagai penemuan mengenai keberadaan proton. Dan tahun 1932 James Chadwick mengemukakan pendapatnya mengenai neutron yang menjelaskan keberadaan isotop dari suatu unsur. Akhirnya pada tahun 1964 dua orang fisikawan secara terpisah yaitu Murray Gell-Mann dan George Zweig mengemukakan pendapatnya mengenai quark dan kemudian dibuktikan keberadaannya pertama kali pada tahun 1968 dalam suatu eksperimen yang di lakukan di SLAC (Stanford Linear Accelerator Center). Quark merupakan partikel elementer penyusun proton dan neutron. Sampai sekarang quark masih dianggap sebagai partikel elementer karena belum ada bukti baik secara eksperimen maupun teori tentang keberadaan partikel yang lebih fundamental dari quark tersebut. Dari uraian diatas dapat disimpulkan bahwa, yang dianggap sebagai partikel elementer di tiap-tiap era adalah berbeda-beda, sesuai dengan perkembangan ilmu pengetahuan pada era tersebut.
Sekarang ini, berdasarkan model standar, terdapat 16 partikel elementer. Model standar adalah kerangka bekerja teoritis yang menggambarkan seluruh partikel elementer yang telah diketahui dan dibuktikan keberadaannya secara eksperimen. Ke 16 partikel tersebut digambarkan dalam sebuah diagram seperti pada gambar berikut ini.
Partikel elementer penyusun materi yang berada pada kolom pertama, kedua dan ketiga (12 partikel) masuk dalam kategori fermion, partikel-partikel tersebut mematuhi kaidah yang berlaku pada statistika Fermi-Dirac (dikemukakan oleh Enrico Fermi dan Paul Dirac secara terpisah) diantaranya adalah , memiliki spin kelipatan ½, mematuhi prinsip eksklusi Pauli dan fungsi gelombangnya bersifat antisimetri. Sedangkan yang berada pada kolom terakhir (4 partikel) masuk kategori boson. “Mereka” adalah partikel elementer yang menjadi mediator (perantara) pada proses terjadinya suatu interaksi dan mematuhi statistika Bose-Einstein (dikemukakan oleh Satyendra Nath Bose dan Albert Einstein secara terpisah) diantaranya adalah memiliki spin kelipatan bilangan bulat, tidak mematuhi prinsip eksklusi Pauli dan fungsi gelombangnya bersifat simetris.
Bagian yang berwarna ungu adalah partikel yang masuk kategori quark. Terdapat 6 jenis quark yaitu: up, down, charm, strange, top dan bottom. Murray Gell-Mann memberi nama partikel tersebut dengan sebutan quark setelah ia mendengar bunyi bebek (kwork kwork kwork) dan membaca buku karangan James joyce yang berjudul Finnegans Wake yang didalamnya terdapat kata quark. Di alam semesta, quark tidak ditemukan “seorang diri” melainkan berada secara bersama dalam suatu partikel komposit bernama hadron. Salah satu jenis partikel hadron adalah proton. Bagian yang berwarna hijau adalah partikel yang masuk kategori lepton. Terdapat 6 jenis lepton yaitu: electron, electron neutrino, muon, muon neutrino, tauon, dan tauon neutrino. Kata Lepton berasal dari bahasa yunani, leptos yang artinya tipis. Pada awalnya partikel elementer jenis ini dinamakan lepton oleh Léon Rosenfeld pada tahun 1948 karena memiliki massa yang sangat kecil. Saat itu, baru electron dan muon yang diketahui keberadaannya dan massa keduanya sangat kecil dibandingkan dengan massa proton. Namun saat tauon ditemukan sekitar tahun 1970, ternyata massanya hampir 2 kali massa proton. Tetapi penamaan lepton tetap dipertahankan.
Bagian yang berwarna merah adalah partikel yang masuk kategori boson. Terdapat 4 jenis boson yaitu photon, gluon, Z-boson dan W-boson. Keempatnya merupakan mediator pada interaksi fundamental dalam fisika. Photon adalah mediator pada interaksi elektromagnetik; gluon adalah mediator pada interaksi kuat dan Z-boson dan W-boson adalah mediator pada interaksi lemah. Terdapat empat interaksi fundamental dalam fisika, tiga diantaranya sudah disebutkan diatas dan yang keempat adalah interaksi gravitasi. Saat mempelajari partikel elementer, interaksi gravitasi diabaikan karena pengaruhnya sangat kecil dan dapat diabaikan. Analoginya adalah sama seperti saat kita mengabaikan gesekan udara pada waktu menghitung energi mekanik dari batu yang dijatuhkan dari ketinggian tertentu diatas permukaan bumi.
Pada paragraph awal, saya menuliskan kalimat, Andaikan kita memiliki kemampuan untuk terus memilah materi tersebut. Pada kenyataannya kita, manusia memang memiliki kemampuan tersebut, namun hal tersebut bukanlah perkara gampang, hanya laboratorium besar berskala internasional saja yang mampu melakukannya. Mengapa hal tersebut menjadi suatu hal yang sulit? analogi yang mudah adalah dengan melakukan suatu eksperimen sederhana yaitu dengan merobek kertas, saat kita merobek selembar kertas menjadi dua bagian, hal tersebut dapat dilakukan dengan mudah, kemudian kita robek lagi dan lagi dengan cara yang sama, ternyata makin kecil robekan kertas tersebut, makin sulit kita merobeknya untuk mendapatkan ukuran yang lebih kecil dari sebelumnya, artinya dibutuhkan energi yang besar untuk memilah suatu zat yang dimensinya sangat kecil sehingga kita dapat mempelajari apa yang ada dalam zat tersebut. Karena itu pula ilmu yang mempelajari mengenai partikel elementer dikenal dengan istilah high energy physics atau fisika energi tinggi.
Salah satu konsekuensi dari energi yang besar tersebut adalah, dibutuhkannya dana yang “cukup” untuk membangun instalasi laboratorium yang dapat menjadi tempat dilakukannya eksperimen untuk mempelajari partikel elementer tersebut. Beberapa Negara besar telah memiliki laboratorium canggih semacam itu yang mampu melakukan eksperimen sehingga partikel elementer dapat dihasilkan dan dipelajari. Diantaranya adalah CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) yang berada di prancis-Swiss; Brookhaven National Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory dan Fermilab, ketiganya berada di Amerika Serikat; Budker Institute of Nuclear Physics di Rusia; DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) di Jerman; dan KEK (Kō Enerugī Kasokuki Kenkyū Kikō) di Jepang.
Semoga saja suatu saat nanti Indonesia pun memiliki laboratorium “keren” seperti contoh diatas. Sehingga fisika partikel sebagai cabang ilmu yang mempelajari partikel elementer dapat berkembang dan akhirnya dapat memberikan banyak manfaat bagi orang banyak baik langsung maupun tidak langsung.
0 comments :
Post a Comment