Nobel Fisika 2013: Partikel Higgs



Bagaimana sebuah partikel dapat memiliki massa? 
Jawaban atas pertanyaan ini merupakah sesuatu yang sangat penting bagi Model Standar yang dikenal dalam fisika partikel. Sedemikian pentingnya karena dengan jawaban tersebut, maka fisikawan partikel akan mudah menjelaskan bagaimana dunia ini terbentuk.

Menurut Model Standar tersebut, segala sesuatu, mulai dari bunga-bungaan, manusia, hingga bintang-bintang dan planet,  sebenarnya hanya tersusun atas beberapa blok bangunan dasar saja, yang kita kenal sebagai partikel materi. Partikel-partikel ini disatukan oleh gaya yang disebut dengan gaya partikel, yang memastikan bahwa segala sesuatunya bekerja dengan baik.

Keutuhan Model Standar ditopang juga oleh keberadaan sebuah jenis partikel khusus yang disebut partikel Higgs. Partikel ini erat kaitannya dengan medan tidak tampak yang mengisi seluruh ruang. Kita tahu, meskipun semesta kita ini tampak kosong, sesungguhnya semesta ini diisi oleh medan. Jika tidak demikian, elektron dan kuark tidak akan bermassa seperti halnya foton, sang partikel cahaya.

Sesuai dengan hasil prediksi Einstein, foton selalu bergerak dengan kelajuan yang sangat tinggi yaitu kelajuan cahaya. Dengan demikian, jika jika tidak terdapat medan yang mengisi semesta ini, maka partikel-partikel semacam elektron dan kuark juga akan bergerak dalam ruang dengan kelajuan yang sangat tinggi seperti kelajuan cahaya. Ini berarti elektron-elektron tersebut tidak dapat tertangkap untuk membentuk atom-atom atau molekul. Artinya, tak akan ada sesuatu yang dapat terjadi, bahkan termasuk kita.

Bahwa dunia ini dibangun oleh hanya beberapa “batu bata” dasar saja adalah sebuah ide yang telah lama. Empat ratus tahun sebelum masehi, filsuf Demokritus telah mempostulatkan bahwa segala sesuatu itu terdiri atas atom-atom. Sekarang kita tahu bahwa atom itu ternyata masih terbagi lagi. Atom terdiri atas elektron yang mengorbit pada inti atom yang tersusun atas netron dan proton. Neutron dan proton sendiri terdiri atas partikel-partikel yang lebih kecil yang disebut kuark. Menurut teori Model Standar, hanya elektron dan kuark inilah yang tidak terurai lagi menjadi bagian-bagian yang lebih kecil.


Inti atomik terdiri atas dua jenis kuark, kuark atas dan kuark bawah. Sehingga, ada tiga partikel elementer yang diperlukan agar sesuatu dapat terbentuk, yaitu elektron, kuark atas, dan kuark bawah. Namun demikian, selama tahun 1950-an dan 1960-an, partikel-partikel baru tanpa diduga-duga telah banyak teramati baik melalui radiasi sinar kosmik maupun pada akselerator partikel. Saat ini Model Standar telah mencakup semua saudara-saudara baru dari elektron dan kuark ini.

Ads by Google
Di samping partikel materi, juga terdapat partikel-partikel gaya untuk masing-masing keempat gaya alamiah: gravitasi, elektromagnet, interaksi lemah, dan interaksi kuat. Gravitasi dan elektromagnet merupakan gaya yang sudah sangat kita kenal, gaya ini bersifat tarik menarik atau tolak menolak, dan kita dapat melihat dampaknya dengan mata kita sendiri. Interaksi kuat bekerja terhadap kuark dan mempertahankan proton dan neutrino sehingga dapat bersama-sama dalam inti atom, sementara itu interaksi lemah bertanggung jawab pada peristiwa peluruhan radioaktif, yang sangat penting, misalnya pada proses inti dalam matahari.

Model Standar fisika partikel menyatukan blok-blok fundamental pembangun alam, yaitu elektron, kuark, dan partikel-partikel mendasar lainnya dengan tiga dari keempat gaya yang kita kenal (gaya yang keempat, yaitu gravitasi, masih berada di luar model tersebut). Hingga sejauh ini, masih merupakan teka-teki bagaimana gaya-gaya ini bekerja. Misalnya, kenapa sepotong logam yang tertarik ke arah magnet mengetahui bahwa terdapat magnet di dekatnya? Serta bagaimana bulan dapat merasakan gaya gravitasi bumi?

Terhadap pertanyaan tersebut, penjelasan yang dikemukakan oleh fisikawan adalah bahwa ruang ini berisi medan yang tak tampak. Medan gravitasional, medan elektromagnet, medan kuark, dan medan-medan lainnya mengisi ruang, atau lebih lengkapnya, ruang waktu dimensi empat, sebuah ruang abstrak dimana teori bermain. Model standar adalah sebuah teori medan kuantum dimana medan dan partikel merupakan batu bata pembangun yang esensial dari semesta ini.

Dalam fisika kuantum, segala sesuatu dilihat sebagai kumpulan vibrasi medan-medan kuantum. Getaran ini dirambatkan melalui medan dalam paket-paket kecil, kuanta, yang tampak bagi kita sebagai partikel. Ada dua jenis medan yaitu medan materi dengan partikel-partikel materi, dan medan gaya dengan partikel-partikel gaya, yaitu mediator gaya tersebut. Partikel Higgs, dengan demikian juga merupakan getaran dari medan-medannya yang sering disebut dengan medan Higgs.

Tanpa adanya medan-medan ini, Model Standar akan runtuh seperti bangunan kartu. Hal ini terjadi karena Model Standar hanya akan bekerja jika partikel-partikel tidak memiliki massa. Pada gaya elektromagnetik, dengan foton sebagai mediatornya, ini bukan masalah karena foton itu memang tidak bermassa. Namun, pada interaksi lemah, yang dimediasi oleh tiga partikel bermassa, dua partikel W bermuatan listrik, dan satu partikel Z, hal ini menjadi sulit. Partikel-partikel tersebut tidak selincah foton yang bergerak dengan kelajuan cahaya.

Bagaimana mungkin gaya elektro lemah, yang menyatukan gaya-gaya elektromagnetik dan interaksi lemah bisa terjadi?

Pertanyaan ini mengancam Model standar, dan di sinilah Englert, Brout, dan Higgs memasuki panggung dengan teorinya tentang bagaimana mekanisme partikel dapat memiliki massa. Teori mereka pertama kali dikemukakan, secara terpisah, pada tahun 1964 dan pada tahun 2012 teori tersebut dikonfirmasi dengan adanya penemuan sebuah partikel yang telah lama dinanti-nantikan, yaitu partikel Higgs di laboratorium CERN Genewa Swiss. Atas teori tersebut, Francois Englert dan Peter W. Higgs, keduanya dianugerahi hadiah nobel dalam bidang fisika pada tahun 2013.

Medan hantu Higgs 

Medan Higgs tidak seperti medan-medan lain dalam fisika. Semua medan lain berubah kekuatannya dan menjadi nol pada tingkat energi terendah dari medan tersebut. Tetapi tidak demikian bagi medan Higgs. Walaupun ruang dikosongkan secara sempurna, maka ruang tersebut masih akan berisi dengan sebuah medan hantu yang menolak untuk meninggalkan ruang. Medan hantu itu adalah medan Higgs. Kita tidak dapat memperhatikan hal tersebut, karena medan Higgs seperti udara bagi kita, seperti air bagi ikan. Tetapi tanpa medan ini kita tidak mungkin ada, karena partikel hanya dapat memperoleh massa melalui kontak dengan dengan medan Higgs. Partikel yang tidak peduli pada medan Higgs tidak akan memiliki massa, partikel yang berinteraksi lemah dengan medan tersebut akan menjadi partikel ringan, dan yang berinteraksi secara intensif menjadi partikel yang lebih berat.  Oleh karena itu, elektron, yang memperoleh massanya dari medan tersebut, memainkan peran yang penting dalam penciptaan dan menyatukan atom-atom dan molekul. Jika medan-medan Higgs tiba-tiba lenyap, semua materi akan runtuh karena elektron yang tidak bermassa secara tiba-tiba akan membubarkan diri dengan kecepatan sebesar kecepatan cahaya.

Kalau demikian, apa yang membuat medan Higgs sedemikian khusus?

Medan ini telah memecahkan simetri intrinsik dunia. Di alam, simetri adalah sesuatu yang lumrah dan banyak contohnya; wajah memiliki bentuk yang teratur, bunga dan kepingan salju menunjukkan berbagai jenis simetri geometrik. Fisika mengungkap jenis simetri lain yang menggambarkan dunia kita, bahkan pada tingkat yang lebih mendalam. Salah satu dari simetri ini, yang relatif sederhana, menentukan bahwa hasil sebuah eksperimen tidak akan dipengaruhi oleh apakah eksperimen tersebut dilaksanakan di Makassar  atau di Paris. Juga tidak pandang pada waktu apa eksperimen tersebut dilaksanakan. Teori Relativitas Khusus Einstein berkenaan dengan simetri ruang dan waktu, dan telah menjadi sebuah model untuk banyak teori lainnya, termasuk model standar dalam fisika partikel. Persamaan-persamaan dalam teori Model Standar bersifat simetri; sama simetrinya dengan sebuah bola yang kelihatan sama dari sudut manapun kita melihatnya. Persamaan Model Standar juga tetap tidak akan berubah meskipun perspektif yang mendefinisikannya berubah.

Prinsip simetri juga memberikan hasil lain yang kurang diharapkan. Sejak tahun 1918, ahli matematika Jerman Emmy Noether dapat menunjukkan bahwa hukum-hukum kekekalan fisika, misalnya hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan muatan listrik, juga muncul dari simetri.   

Simetri, meskipun demikian, memberikan persyaratan tertentu yang harus dipenuhi. Sebuah bola harus bulat sempurna; benjolan paling kecil pun akan merusak simetrinya. Untuk kasus persamaan, berlaku persyaratan lain. Dan salah satu dari simetri Model Standar akan mencegah partikel memiliki massa. Sekarang, hal ini tampaknya tidak sesuai dengan alam kita, sehingga partikel haruslah memperoleh massa mereka dari suatu tempat. Di sinilah mekanisme penerimaan massa ini menyediakan sebuah cara bagi simetri agar keduanya tetap ada dan secara bersamaan menyebabkannya tersembunyi dari pandangan.

Simetri tersembunyi tetapi masih ada di tempatnya 

Alam semesta kita mungkin saja lahir secara simetri. Pada massa big bang, semua partikel-partikel bersifat tidak bermassa dan semua gaya-gaya menyatu dalam sebuah gaya primordial tunggal. Tatanan asli ini tidak ada lagi sekarang, --simetrinya telah bersembunyi dari pandangan kita. Sesuatu telah terjadi ketika 10-11 detik sejak Big Bang. Medan Higgs kehilangan kesetimbangan asalnya. Bagaimana hal tersebut bisa terjadi?

Semuanya bermula dari kesimetrian. Keadaan ini dapat digambarkan sebagai posisi sebuah bola di tengah sebuah mangkuk yang berbentuk setengah bola, dalam keadaan energi terendahnya. Dengan sebuah dorongan, bola mulai akan menggelinding, tetapi setelah itu bola tersebut akan kembali ke titik terendahnya.

Namun demikian, jika sebuah benjolan muncul di tengah mangkuk, sehingga modelnya seperti topi orang Meksiko, posisi di tengah topi sekarang masih akan simetris tetapi sekarang menjadi tidak stabil. Bola akan menggelinding menuruni bukit dalam arah sebarang. Topi tersebut masih dalam keadaan simetri, tetapi begitu bola telah menggelinding ke bawah, posisinya yang menjauhi pusat akan menyembunyikan simetri itu. Dengan cara yang sama, medan Higgs merusak simetri dan menemukan sebuah tingkat energi stabil dalam keadaan vakum dari posisi simetri nol. Simetri spontan ini juga mengacu pada transisi fase medan Higgs; hal ini serupa dengan peristiwa air yang membeku menjadi es.

Agar terjadi transisi fase, dibutuhkan empat partikel meskipun hanya satu, yaitu partikel Higgs, yang survive. Ketiga partikel lainnya, dikonsumsi oleh mediator gaya interaksi lemah, dua partikel W yang bermuatan listrik, dan satu partikel Z, yang akan memperoleh massanya. Dengan cara inilah simetri gaya elektrolemah dalam Model Standar diselamatkan –simetri di antara ketiga partikel berat pada interaksi gaya lemah dan foton yang tak bermassa dari gaya elektromagnetik masih tetap ada, hanya tidak tampak dari penglihatan kita.

Sebuah teka teki dalam teka teki

Meskipun partikel Higgs telah melengkapi teka-teki Model Standar, Model Standar bukanlah kepingan terakhir dalam teka-teki kosmik yang lebih besar.

Eksperimen partikel kadang-kadang disamakan dengan aksi membenturkan dua jam tangan Swiss untuk memeriksa bagaimana jam tangan tersebut dibuat. Tetapi eksperimen partikel sebenarnya jauh lebih sulit dibandingkan dengan sekedar itu, karena apa yang dicari oleh ilmuwan partikel adalah sesuatu yang secara keseluruhan adalah baru –mereka tercipta dari energi yang dihasilkan dari tumbukan.

Menurut rumus terkenal Einstein, E = mc2, massa merupakan jenis energi. Salah satu keluarbiasaan persamaan ini adalah persamaan ini memungkinkan, bahkan untuk partikel tak bermassa, untuk menghasilkan sesuatu yang baru saat mereka bertumbukan; seperti dua foton yang bertumbukan dan menghasilkan sebuah elektron dan anti partikelnya, positron, atau saat sebuah partikel Higgs yang tercipta dari tumbukan dua buah gluon, jika energinya cukup tinggi.

Proton seumpama tas kecil yang berisi partikel-partikel: kuark, antikuark, dan gluon. Mayoritas dari partikel-partikel ini akan saling menembus satu sama lain tanpa kegaduhan. Secara rata-rata, tiap kali dua kumpulan partikel bertumbukan hanya dua puluh tumbukan frontal penuh yang terjadi. Kurang dari satu tumbukan dalam sejuta yang mungkin berarti untuk diikuti. Ini mungkin kedengaran tidak banyak, tetapi masing-masing tumbukan tersebut menghasilkan sebuah ledakan yang berkilauan dari sekitar ribuan partikel. Pada energi 125 GeV, partikel Higgs menjadi lebih berat ratusan kali dibandingkan dengan sebuah foton dan inilah salah satu alasan mengapa begitu sulit menghasilkan partikel Higgs ini.

Namun demikian, eksperimen tersebut masih jauh dari selesai. Para ilmuwan di CERN berharap penemuan ini akan membawa penemuan lain yang lebih jauh pada tahun-tahun mendatang. Meskipun sudah merupakan pencapaian besar karena telah berhasil menemukan partikel Higgs –kepingan teka-teki yang hilang dalam teka teki Model Standar– hal ini bukanlah merupakan kepingan terakhir dari teka-teki semesta.

Salah satu alasan atas hal ini adalah bahwa Model Standar memperlakukan partikel-partikel tertentu, neutrino, sebagai partikel dengan massa semu, sementara hasil studi terbaru menunjukkan bahwa neutrino ini sebenarnya memiliki massa. Alasan lainnya adalah Model ini hanya menggambarkan materi tampak, yang hanya bertanggung jawab terhadap 1/5 dari semua materi dalam semesta ini. Sisanya adalah materi gelap dan jenis lain yang tidak diketahui. Ini tidak akan tampak secara tiba-tiba kepada kita, tetapi dapat diamati melalui tarikan gravitasinya yang menjaga galaksi-galaksi tetap bersama dan menghindarkannya dari keruntuhan.

Di samping semua hal tersebut, materi gelap menghindari untuk terlibat dalam materi tampak. Ingat bahwa partikel Higgs bersifat khas; mungkin partikel ini dapat mengatur bagaimana membangun kontak dengan kegelapan yang misterius. Ilmuwan berharap mereka dapat “menangkap” materi gelap, saat mereka melanjutkan perburuan partikel-partikel yang tak dikenal dalam LHC pada dekade mendatang. 

(sumber: http://www.nobelprize.org)

Nobel Fisika 2013: Partikel Higgs Nobel Fisika 2013: Partikel Higgs  Reviewed by Momang Yusuf on 9/24/2014 04:56:00 PM Rating: 5

Tidak ada komentar:

Diberdayakan oleh Blogger.