NOBEL FISIKA 2008: MENGUNGKAP SIFAT SIMETRI ALAM YANG TERSEMBUNYI



narasi nobel fisika 2008

Sesungguhnya, kita adalah anak-anak dari simetri yang rusak. Kerusakan simetri ini telah terjadi sejak peristiwa Big Bang sekitar 14 miliar tahun yang lampau ketika jumlah materi dan antimateri yang tercipta sama banyaknya. Pertemuan antara materi dan antimateri akan membawa akibat yang fatal baik kepada materi maupun kepada antimaterinya; keduanya akan saling memusnahkan menyisakan radiasi. Peristiwa ini kita sebut anihilasi. Namun, pada akhirnya materilah menang terhadap antimateri. Jika tidak demikian, kita kemungkinan tidak bisa berada di sini saat ini. Tetapi kenyataannya kita ada di sini, dan kelihatannya hanya diperlukan penyimpangan yang kecil saja dari simetri –satu partikel materi tambahan untuk setiap 10 miliar partikel antimateri telah memenuhi syarat untuk menghidupkan alam semesta ini. Kelebihan materi ini adalah remah-remah dari keseluruhan semesta, yang berisi galaksi, bintang-bintang, planet-planet, dan tentu saja kehidupan itu sendiri. Namun demikian, ada apa dibalik penyimpangan atau pelanggaran simetri pada kosmos ini masih merupakan misteri utama.

Melalui pengamatan cermin

Selama bertahun-tahun fisikawan berkonsentrasi pada penemuan hukum-hukum alam yang terletak pada sejumlah besar fenomena yang kita lihat di sekeliling kita. Hukum-hukum alam haruslah bersifat simetri sempurna dan paripurna; hukum-hukum ini harus berlaku di seluruh semesta. Pandangan ini kelihatannya benar pada hampir semua situasi, walaupun tidak selalu demikian. Itulah sebabnya mengapa ketidaksimetrian menjadi subjek penelitian fisika hampir sama jumlahnya dengan penelitian tentang kesimetrian itu sendiri.

Berbagai jenis simetri dan kerusakan simetri terjadi dalam kehidupan sehari-hari kita. Perhatikan huruf “A”. Huruf ini tidak berubah apabila kita melihatnya di cermin, sementara untuk huruf “Z” akan terjadi kerusakan simetri. Di sisi lain, huruf “Z” akan kelihatan tetap sama ketika kita memutarnya ke bawah, tetapi jika hal yang sama kita lakukan pada huruf “A”, huruf “A” sekarang yang mengalami kerusakan simetri.

Teori dasar partikel elementer menggambarkan adanya tiga macam prinsip simetri yang berbeda: simetri cermin, simetri muatan, dan simetri waktu. Dalam bahasa fisika, simetri cermin disimbol dengan P, dari kata parity, simetri muatan disimbol dengan C, dari kata charge, dan simetri waktu disimbol T, dari kata time).

simetri cermin, salah satu bentuk simetri
Simetri cermin berarti semua peristiwa akan sama persis jika peristiwa tersebut dilihat secara langsung maupun jika dilihat melalui cermin. Tidak ada perbedaan antara bagian kiri dan bagian kanan pada simetri ini dan kita tidak mungkin dapat memastikan apakah peristiwa tersebut terjadi di dunianya sendiri atau kita melihatnya dalam dunia kaca (cermin). Simetri muatan menyatakan bahwa partikel-partikel seharusnya berperilaku tepat sama dengan partikel lawan mereka, atau antipartikelnya, dimana mereka memiliki karakteristik yang sama kecuali tanda muatannya yang berlawanan. Dan simetri waktu berarti peristiwa fisika pada tingkat mikro harus sama tanpa bergantung pada apakah peristiwa tersebut bergerak maju atau bergerak mundur dalam waktu.

Simetri tidak sekedar memiliki nilai seni dalam fisika. Simetri menyederhanakan banyak perhitungan yang kaku dan oleh karena itu berperan penting dalam deskripsi matematis dunia mikro. Fakta yang bahkan lebih penting tentang simetri adalah simetri membuat banyak hukum-hukum kekekalan berlaku pada tingkat partikel. Sebagai contoh, terdapat hukum bahwa energi tidak mungkin hilang dalam tumbukan antara partikel-partikel elementer, energi ini harus sama sebelum dan sesudah tumbukan, yang menunjukkan adanya simetri persamaan yang menggambarkan tumbukan partikel. Atau terdapat hukum kekekalan muatan listrik yang berkaitan dengan simetri teori elektromagnetik.

Pola yang muncul semakin jelas

Kerusakan simetri mulai tampak dalam studi prinsip-prinsip dasar materi di pertengahan abad XX. Pada masa itu, fisikawan terlibat secara penuh dalam usaha mencapai impian terbesar mereka –menggabungkan semua balok bangunan terkecil semesta dan semua gaya-gaya fundamental ke dalam satu teori yang disebut teori penggabungan (unified theory). Tetapi ketika upaya itu baru saja dimulai, fisika partikel justru semakin kompleks. Pemercepat partikel (akselerator) baru yang dibangun setelah perang dunia kedua menghasilkan aliran partikel secara terus menerus yang belum pernah diamati sebelumnya. Umumnya partikel-partikel tersebut tidak sesuai dengan model yang dimiliki oleh fisikawan pada saat itu, model yang mengatakan bahwa materi terdiri atas atom-atom yang di dalamnya terdapat inti atom yang mengandung neutron dan proton dan di luarnya elektron berputar mengelilingi inti. Penyelidikan yang lebih mendalam ke dalam daerah paling dalam dari materi mengungkap bahwa proton dan neutron sendiri masing-masing mengandung sebuah trio kuark. Partikel-partikel yang telah ditemukan sebelumnya juga ternyata tersusun atas sejumlah kuark.

bagian-bagian penyusun materi

Sekarang, semua kepingan-kepingan teka-teki tersebut menuju ke satu titik; sebuah model standar dimana bagian terkecil yang tak dapat lagi dipisahkan dari materi terdiri atas tiga keluarga partikel seperti pada diagram berikut.

model standar fisika, keluarga partikel dan gaya fundamental

Keluarga partikel ini mirip satu sama lain, tetapi hanya partikel dalam keluarga I dan keluarga partikel yang paling ringan yang cukup stabil untuk dapat membentuk kosmos. Dua keluarga partikel yang lebih berat hidup dalam kondisi yang sangat tidak stabil dan akan segera meluruh menjadi partikel-partikel yang lebih ringan.

Segala sesuatu diatur oleh gaya. Model standar, paling tidak pada saat ini, mencakup tiga dari empat gaya fundamental di alam ini bersama-sama dengan partikel pembawa mereka (agen), yaitu partikel yang menyalurkan interaksi antara partikel-partikel elementer tersebut seperti pada diagram di atas.

Agen gaya elektromagnetik adalah foton dengan massa nol; gaya interaksi lemah yang bertanggung jawab pada peluruhan inti radioaktif dan menyebabkan matahari dan bintang-bintang bersinar agennya adalah sebuah partikel berat boson W dan Z; sedangkan gaya interaksi kuat dibawa oleh partikel gluon, yang menyebabkan inti-inti atom dapat menyatu bersama-sama. Gravitasi, gaya yang keempat, yang memastikan tapak kaki kita tetap di permukaan bumi, hingga kini belum masuk ke dalam model standar ini dan masih menjadi tantangan kolosal bagi fisikawan.

Cermin itu telah hancur

Ads by Google
Model standar adalah sebuah sintesis dari semua ide tentang bagian paling dalam materi yang telah dikumpulkan dan disusun oleh fisikawan selama abad yang lampau. Model standar semata-mata hanya bertumpu pada basis teoritis yang terdiri atas prinsip-prinsip simetri fisika kuantum dan teori relativitas serta telah disokong penuh oleh berbagai uji coba dan eksperimen yang tak terhitung lagi jumlahnya. Tetapi sebelum pola itu kelihatan cukup jelas, telah terjadi sejumlah krisis yang mengancam keseimbangan konstruksi model ini. Krisis ini berkaitan dengan fakta bahwa fisikawan telah terlanjur berasumsi bahwa hukum-hukum yang simetri berlaku pula pada dunia Liliput partikel-partikel elementer. Kenyataannya tidaklah seperti itu.

Kejutan pertama terjadi pada tahun 1956 ketika dua ahli fisikawan teoritis berkebangsaan China-Amerika, Tsung Dao Lee dan Chen Ning Yang (penerima nobel fisika tahun 1957) menantang simetri cermin (simetri P) pada gaya interaksi lemah. Bahwa alam mematuhi simetri cermin, simetri yang menyebabkan kiri dan kanan tidak terbedakan, dianggap merupakan fakta yang telah ada, seperti halnya prinsip simetri lainnya.

Kita perlu mengevaluasi ulang prinsip lama dalam dunia kuantum, dimana partikel-partikel elementer berada, menurut Lee dan Yang. Keduanya kemudian mengajukan sejumlah eksperimen untuk menguji simetri cermin ini. Dan akhirnya menjadi cukup yakin, hanya dalam beberapa bulan kemudian ketika peluruhan inti atom dalam unsur radioaktif Cobal 60 menunjukkan bahwa proses peluruhan tersebut tidak mengikuti prinsip simetri cermin. Simetri telah rusak tatkala elektron yang meninggalkan inti Cobal lebih memilih arah tertentu dibandingkan arah yang lainnya. Ini seperti jika kita berdiri di depan stasiun Pusat Stockholm dan melihat hampir semua orang lebih memilih berbelok ke kiri ketika meninggalkan stasiun.

Asimetri inheren yang menentukan takdir kita

Rusaknya simetri pencerminan dan simetri muatan memang bisa saja terjadi secara terpisah, tetapi untuk keduanya –yang kita sebut dengan simetri CP—tentu saja tidak akan rusak secara bersamaan. Para fisikawan menghibur diri sendiri dengan gagasan bahwa simetri ini bersifat tetap, tidak rusak. Hukum-hukum alam, menurut keyakinan mereka, tidak akan berubah jika kita melangkah masuk ke dalam sebuah dunia yang merupakan cermin dunia kita dimana pada dunia tersebut semua materi digantikan dengan antimateri.

pertemuan materi dan antimateri akan menyebabkan pemusnahan
Gagasan di atas berarti bahwa jika kita bertemu dengan makhluk dari semesta lain (makhluk ekstraterestrial, alien), kita tidak mungkin dapat mengetahui apakah makhluk asing tersebut datang dari dunia kita sendiri atau dari antidunia kita. Dan sebuah pelukan selamat datang kepada makhluk asing tersebut akan membawa malapetaka bagi kita. Dari pelukan itu hanya akan ada segumpalan energi yang tersisa, karena ketika materi dan antimateri bertemu, mereka akan saling menghilangkan satu sama lain (proses anihilasi) pada kontak pertama yang dilakukan.

Jadi, barangkali hal ini serupa dengan situasi saat gaya interaksi lemah menjadi pusat perhatian fisikawan pada tahun 1964. Pelanggaran baru terhadap hukum-hukum simetri terjadi dalam proses peluruhan radioaktif partikel tunggal, yang disebut kaon (atas hal ini, James Cronin dan Val Fitch dianugerahi hadiah nobel pada tahun 1980). Ada sebagian kecil kaon yang tidak mengikuti simetri cermin arus dan simetri muatan; dengan kata lain kaon ini merusak simetri CP secara ganda dan menantang struktur keseluruhan materi tersebut.

Berbicara tentang pertemuan dengan makhluk luar angkasa, temuan di atas menawarkan kepada kita bantuan. Akan cukup menyelamatkan jika kita meminta kepada makhluk asing tersebut untuk terlebih dahulu mengamati dengan teliti proses peluruhan kaon di rumah mereka dan memastikan apakah mereka tersusun atas materi yang sama dengan kita atau tersusun atas antimateri, sebelum mereka memeluk kita untuk pertama kalinya.

Orang pertama yang menunjukkan pentingnya kerusakan simetri dalam proses pembentukan kosmos adalah seorang fisikawan Rusia yang juga penerima nobel perdamaian, Andrei Sakharov. Pada tahun 1967, Sakharov menentukan tiga syarat pembentukan sebuah dunia seperti yang kita tempati, dunia yang tidak mengandung antimateri. Pertama, bahwa hukum-hukum fisika membedakan antara materi dan antimateri, perbedaan inilah yang sesungguhnya ditemukan dengan rusaknya simetri CP; kedua, bahwa kosmos muncul dari panas peristiwa Big Bang; dan yang ketiga, bahwa proton-proton dalam setiap inti atom mengalami peluruhan. Syarat yang terakhir ini mungkin akan membawa dunia pada kehancuran, karena syarat ini mengimplikasikan bahwa semua materi akan musnah. Tetapi sejauh ini hal tersebut belum terjadi, dan hasil-hasil eksperimen menunjukkan bahwa proton masih akan stabil dalam kurun waktu 1033 tahun, waktu yang 10 miliar kali lebih lama dibandingkan dengan usia semesta ini, yakni sekitar 1010 tahun. Lagi pula, tak seorang pun yang mengetahui bagaimana rantai peristiwa Sakharov terjadi pada masa-masa awal semesta.

Pemecahan misteri rusaknya simetri

Boleh jadi syarat-syarat Sakharov akhirnya akan digabungkan ke dalam Model Standar Fisika. Jika demikian, maka kelebihan materi yang tercipta pada kelahiran alam semesta dapat dijelaskan. Namun, hal tersebut memerlukan pelanggaran simetri yang jauh lebih besar melebih kerusakan simetri ganda, yang ditemukan oleh Fitch dan Cronin dalam eksperimen mereka.

Meskipun demikian, bahkan dengan kerusakan simetri yang lebih kecil seperti yang ditimbulkan oleh kaon pun, tetap dibutuhkan sebuah interpretasi; jika tidak, keseluruhan Model Standar akan terancam. Pertanyaan tentang mengapa simetri mengalami kerusakan tetap menjadi misteri sampai pada tahun 1972, ketika dua orang peneliti muda dari Kyoto, Makoto Kobayashi dan Toshihide Maskawa, yang memahami dengan baik perhitungan fisika kuantum, menemukan solusinya dalam sebuah matriks 3 x 3.

Bagaimana kerusakan simetri ganda ini terjadi?

Tiap-tiap partikel kaon terdiri atas sebuah kombinasi dari sebuah kuark dan sebuah antikuark. Gaya interaksi lemah membuat mereka mengubah-ubah identitasnya: kuark berubah menjadi antikuark sedangkan antikuark berubah menjadi kuark, sehingga mengubah kaon menjadi antikaon. Dengan cara ini partikel kaon berganti-ganti menjadi antikaon, dari antikaon menjadi kaon, dan seterusnya. Tetapi jika sebuah kondisi tertentu terpenuhi, simetri antara materi dan antimateri seperti ini akan mengalami kerusakan. Matriks perhitungan Maskawa dan Kobayashi terdiri atas probabilitas yang menggambarkan bagaimana transformasi kuark akan terjadi.

Diketahui bahwa kuark dan antikuark saling bertukar identitas masing-masing dalam keluarga mereka sendiri. Jika pertukaran identitas ini terjadi antara materi dan antimateri bersama dengan terjadinya kerusakan simetri ganda, maka diperlukan sebuah keluarga kuark lain selain kedua kuark yang telah ada. Hal ini merupakan konsep yang berani, dan Model Standar menerima kuark baru yang spekulatif ini, yang akhirnya ditemukan belakangan dalam eksperimen. Kuark charm ditemukan di awal tahun 1974, kuark bottom pada tahun 1977, dan yang terakhir kuark top ditemukan di akhir tahun 1994.

Pabrik meson menyediakan jawaban

Tidak tertutup kemungkinan bahwa penjelasan rusaknya simetri CP juga memberikan sebuah “raison d’etre” terhadap keluarga partikel kedua dan ketiga. Keluarga partikel kedua dan ketiga memang memiliki banyak kemiripan dengan keluarga partikel pertama, kecuali bahwa usia partikel keluarga kedua dan ketiga ini sangat singkat sehingga mereka tidak dapat membentuk apapun dalam dunia kita. Salah satu kemungkinan mengapa seperti ini, barangkali karena partikel-partikel tidak stabil tersebut hanya berperan penting di awal waktu penciptaan ketika kehadiran mereka menjamin terjadinya kerusakan simetri sehingga menghasilkan materi yang lebih banyak dibandingkan antimateri. Bagaimana alam semesta menyelesaikan masalah seperti itu, merupakan sesuatu yang belum kita pahami secara detail. Simetri yang rusak perlu direproduksi berkali-kali untuk dapat menghasilkan semua materi yang memberi kita langit bertabur bintang.

Teori Kobayashi dan Maskawa juga mengindikasikan bahwa ada kemungkinan bagi kita untuk mempelajari sebuah pelanggaran simetri utama dalam partikel meson-B, partikel yang massanya sepuluh kali lebih besar dibandingkan dengan sepupu mereka, partikel kaon. Namun demikian, kerusakan simetri sangat jarang terjadi pada meson-B, sehingga dibutuhkan partikel meson-B dalam jumlah yang sangat besar hanya untuk mengetahui apakah ada beberapa dari partikel-partikel tersebut yang merusak simetri. Dua bangunan detektor partikel raksasa BaBar yang ada di pemercepat partikel SLAC di Stanford, California, dan Belle di pemercepat partikel KEK di Tsukuba Jepang dapat menghasilkan lebih dari satu juta meson-B dalam sehari untuk keperluan mengikuti proses peluruhan mereka secara detail. Di awal tahun 2001, dua eksperimen yang tidak saling berhubungan akhirnya mengonfirmasi adanya pelanggaran simetri pada meson-B, hal yang telah diprediksikan oleh Kobayashi dan Maskawa sekitar 30-an tahun lebih awal.

Ini merupakan penyelesaian bagi Model Standar, yang telah bekerja baik selama bertahun-tahun. Hampir semua keping teka-teki yang hilang dalam Model Standar ini memiliki kesesuaian dengan prediksi yang paling berani yang dibuat fisikawan.

Simetri tersembunyi di bawah pelanggaran simetri spontan

Seperti yang telah dijelaskan, Model Standar terdiri atas semua partikel elementer yang telah diketahui dan tiga dari empat gaya-gaya fundamental. Tetapi mengapa untuk gaya begitu berbeda? Dan mengapa partikel-partikel tersebut memiliki massa yang berbeda-beda? Partikel elementer yang paling berat, kuark top, memiliki massa lebih dari tiga ratus ribu kali lebih besar dibandingkan elektron. Mengapa mereka masing-masing memiliki massa tertentu? Gaya interaksi lemah sekali lagi paling menonjol berkaitan dengan hal ini: partikel-partikel pembawanya, W dan Z, memiliki massa yang sangat besar, sementara sekutunya, foton, yang membawa gaya elektromagnetik, tidak memiliki massa sama sekali.

Banyak fisikawan yang percaya bahwa kerusakan simetri spontan lainnya, yang disebut mekanisme Higgs, menghancurkan simetri sebenarnya antara gaya-gaya dan memberi massa kepada partikelnya masing-masing pada tahap yang sangat awal dari alam semesta ini.

Perjalanan untuk meraih pencapaian ini dipetakan oleh Yoichiro Nambu ketika, pada tahun 1960, dia untuk pertama kalinya memperkenalkan pelanggaran simetri spontan ke dalam fisika partikel elementer. Atas dasar penemuannya inilah pada tahun 2008, Yoichiro Nambu dianugerahi Nobel Fisika Tahun 2008.

Pada mulanya, Nambu yang mengerjakan penelitian tentang kalkulasi teoritis fenomena lain yang menarik dalam fisika, yaitu fenomena superkonduktor, menemukan bahwa arus listrik tiba-tiba mengalir tanpa hambatan apapun. Pelanggaran simetri spontan yang menggambarkan tentang gejala superkonduktivitas ini diterjemahkan oleh Nambu ke dalam dunia partikel elementer, dan alat matematiknya sekarang telah memasuki semua teori yang berkaitan dengan Model Standar.

Kita lebih mudah menyaksikan pelanggaran simetri spontan seperti ini dalam kehidupan sehari-hari kita. Sebuah pensil yang ditegakkan di atas ujung runcingnya akan memberikan sebuah keberadaan simetri yang sempurna dimana semua arah adalah sama bagi pensil dalam keadaan seperti ini. Tetapi simetri ini segera hilang ketika pensil tersebut jatuh –sekarang hanya ada satu arah. Di sisi yang lain, kondisi satu arah ini (saat pensil terjatuh) memiliki stabilitas yang lebih tinggi, pensil tersebut tidak dapat jatuh lagi, pensil telah mencapai tingkat energi paling rendahnya.

contoh simetri spontan

Sebuah keadaan vakum memiliki peluang dengan tingkat energi yang paling rendah dalam kosmos. Sebenarnya, sebuah keadaan vakum bagi fisikawan adalah keadaan dengan tingkat energi terendah yang mungkin. Tetapi ini tidak berarti bahwa keadaan vakum ini kosong dari apapun. Sejak munculnya fisika kuantum, keadaan vakum didefinisikan sebagai keadaan yang penuh dengan gelembung-gelembung partikel yang muncul-tenggelam dalam medan kuantum yang ada dimana-mana tetapi tidak terlihat. Kita dikelilingi oleh banyak jenis medan kuantum yang berbeda-beda pada seluruh ruang; empat gaya-gaya fundamental alam yang juga dinyatakan dalam bentuk medan. Salah satu dari medan tersebut, yaitu medan gravitasi, telah kita kenali dengan baik. Medan ini yang menjaga sehingga kita tetap menjejak bumi dan menentukan arah atas dan arah bawah.

Nambu menyadari sejak awal bahwa karakteristik sebuah vakum merupakan objek yang menarik dalam mengkaji kerusakan simetri secara spontan. Sebuah keadaan vakum, yaitu keadaan dengan tingkat energi paling rendah, tidak bersesuaian dengan keadaan yang paling simetri. Sama halnya ketika pencil jatuh, simetri medan kuantum telah rusak dan hanya satu dari banyak kemungkinan arah medan yang dapat terpilih. Dalam dekade terbaru ini, metode Nambu dalam menangani pelanggaran simetri spontan dalam Model Standar telah banyak diperbaiki; metode ini telah berulang kali digunakan untuk menghitung efek dari gaya-gaya kuat.

Higgs yang memberi massa

Pertanyaan tentang massa partikel-partikel elementer juga telah dijawab oleh kerusakan simetri spontan melalui hipotesis medan Higgs. Para fisikawan menganggap bahwa pada Big Bang medan bersifat simetri sempurna dan semua partikel-partikel memiliki massa nol. Tetapi medan Higgs, seperti pensil yang berdiri di atas ujung runcingnya, tidak stabil, sehingga ketiga alam semesta mendingin, medan ini jatuh ke tingkat energi paling rendah, yaitu keadaan vakumnya sendiri berdasarkan definisi kuantum. Simetri medan menghilang dan medan Higgs menjadi semangkuk sirup partikel elementer; menyerap sejumlah medan yang berbeda-beda dan memiliki massa yang berbeda pula. Beberapa di antaranya, seperti foton, tidak tertarik dan tetap dalam keadaan tanpa massa. Namun demikian, pertanyaan tentang mengapa semua elektron memiliki massa merupakan pertanyaan lain yang tidak seorang pun yang dapat menjawabnya pada saat itu.

Seperti medan kuantum lainnya, medan Higgs memiliki partikelnya sendiri, yaitu partikel Higgs. Fisikawan tertantang untuk segera dapat menemukan partikel ini di pemercepat partikel paling kuat di dunia, LHC terbaru di Cern Genewa. Adalah mungkin akan ada beberapa partikel Higgs yang berbeda-beda yang terdeteksi atau bahkan tidak ada sama sekali yang terdeteksi. Para fisikawan sedang menyiapkan sebuah teori yang disebut teori supersimetri yang merupakan pengembangan teori Model Standar.

Dan beberapa tahun kemudian, perburuan tersebut membawa hasil dan partikel Higgs akhirnya ditemukan!


Referensi: The Nobel Prize in Physics 2008, Information for the Public, www.kva.se
NOBEL FISIKA 2008: MENGUNGKAP SIFAT SIMETRI ALAM YANG TERSEMBUNYI NOBEL FISIKA 2008: MENGUNGKAP SIFAT SIMETRI ALAM YANG TERSEMBUNYI Reviewed by Momang Yusuf on 6/07/2015 10:56:00 AM Rating: 5

Tidak ada komentar:

Diberdayakan oleh Blogger.