PARTIKEL ELEMENTER

PARTIKEL ELEMENTER

Partikel elementer adalah partikel yang substrukturnya tidak diketahui (bisa jadi partikel tersebut tunggal atau gabungan dari partikel lain). Partikel elementer secara garis besar dapat dibedakan menjadi dua keluarga berdasarkan nilai spinnya. Berdasarkan perbedaan nilai spinnya partikel dibedakan menjadi partikel fermion (spin pecahan) dan partikel boson (spin bulat).

A.      Fermion

Fermion, nama yang diambil dari nama Enrico Fermi, adalah partikel yang membentuk status kuantum komposit yang benar-benar antisimetrik. Hasilnya, fermion bersifat sesuai dengan prinsip eksklusi Pauli dan juga sesuai dengan statistik Fermi-Dirac. Teori spin-statistik menyatakan bahwa fermions mempunyai spin yang berupa separuh-bilangan bulat. Salah satu cara untuk menggambarkan spin ini ialah bahwa partikel dengan spin 1/2, seperti fermion, harus diputar oleh dua rotasi penuh untuk mengembalikan mereka ke keadaan semula. Keluarga fermion ini terdiri dari Quark dan Lepton. Lepton ini terdiri dari elektron, neutrino elektron, muon, neutrino muon, tau, neutrino tau. Sedangkan Quark sendiri terdiri dari quark up, quark down, quark strange, quark top, quark bottom. Selain itu karena semua partikel memiliki anti partikel, maka anti partikel diantara mereka juga masuk ke dalam keluarga Fermion. Jadi fermion terdiri dari 24 model. Menurut kaidah Fermi, partikel elementer ini memiliki spin ± ½, spin sendiri artinya adalah momentum angular intrinsik. Maksudnya adalah perputaran yang dilakukan oleh partikel-partikel itu. Partikel-partikel tersebut berputar karena itulah prinsip utama mekanika kuantum, tetapi berputarnya ke “atas” dan ke “bawah”. Fermion ini taat pada prinsip ekslusi pauli, jadi fermion ini tidak boleh berada pada keadaan yang sama walaupun sama. Inilah yang mengakibatkan fermion dijuluki sebagai partikel “individualis”.

1.         Quark

Terdapat 6 jenis quark yaitu Up, Down, Strange, Charms, Bottoms dan Top. Up dan Down memiliki massa yang terlemah. Di antara keenam jenis quark, quark terberat berubah jenis menjadi quark up dan down melalui proses peluruhan partikel, transformasi quark terberat menjadi quark teringan. Karena inilah quark up maupun quark down merupakan jenis quark terstabil di antara keenam jenis quark dan yang paling umum dijumpai di alam. Sedangkan quark Strange, Charms, Bottoms dan Top hanya dapat ditemukan atau dihasilkan di high energy collision (tumbukan berenergi tinggi, seperti Sinar kosmik dan di partikel akselerator/LHC). Hanya quark-lah yang memenuhi keempat interaksi fundamental, dikenal juga sebagai gaya fundamental (elektromagnetik, gravitasi, interaksi kuat partikel, dan interaksi lemah partikel). Dan untuk setiap jenis quark terdapat jenis lawannya yaitu antiquark. Pengukuran arah spin dari quark berupa +¹⁄₂ ( ↑ ) dan −¹⁄₂ ( ↓ ).

Quark memiliki muatan listrik yang bernilai pecahan, yaitu 1/3 atau 2/3. Quark down, strange dan top mempunyai muatan sebesar -1/3, dan quark up, charm dan top mempunyai muatan sebesar 2/3. Masing-masing quark mempunyai pasangan antipartikel, yaitu antiquark, yang muatan listriknya berlawanan tandanya dengan quark bersangkutan. Misalnya antidown (antipartikel dari quark down) punya muatan 1/3, dan anticharm (antipartikel dari quark charm) punya muatan listrik -2/3.

Selain muatan listrik, quark juga mempunyai sifat intrinsik lain, yang disebut dengan muatan “warna”. Perlu diperhatikan, warna di sini bukanlah warna seperti yang kita ketahui, tapi hanya sekedar penamaan saja. Muatan warna ini ada tiga, yaitu merah, biru dan hijau. Setiap quark memiliki satu warna, misal quark down merah. Setiap antiquark juga memiliki satu antiwarna, misal antiquark antidown antimerah.

Partikel quark akan selalu berpasangan dan membentuk partikel komposit. Ada dua jenis partikel komposit ini yaitu yang tergolong ke dalam baryon dan tersusun atas tiga buah quark, dan yang tergolong ke dalam meson dan tersusun atas dua buah quark (atau tepatnya pasangan quark dan antiquark).

Quark up dan quark down akan menyusun proton dan neutron di dalam inti atom, dan  elektron akan mengorbit di sekitar inti atom. Setiap partikel selalu  mempunyai antipartikel. Jika partikel bertemu dengan antipartikel, akan terjadi anihilasi. Artinya kedua partikel tadi akan hilang dan berubah menjadi energi. Antipartikel dari elektron disebut dengan positron. Massa positron sama dengan massa elektron, akan tetapi muatan listriknya berlawanan, yaitu positif.

2.      Lepton

Lepton adalah keluarga partikel unsur yang mencakup elektron, muon, tau, dan neutrino. Seperti kuark, lepton merupakan fermion (partikel spin ¹⁄₂) dan dipengaruhi oleh gaya elektromagnetik, gaya gravitasi, dan gaya lemah, namun berbeda dengan kuark, lepton tidak ikut serta dalam interaksi kuat. Lepton adalah bagian penting dari Model standar, terutama elektron yang merupakan salah satu komponen atom, bersama-sama dengan proton dan neutron. Atom eksotik dengan muon dan tauon sebagai ganti elektron juga dapat disintesis.

Dibandingkan dengan quark, lepton lebih ringan. Massa sebuah elektron adalah 1/1836 dari satuan massa atom yang merupakan perkiraan massa atom hidrogen. Massa non-lepton pada atom hidrogen berasal dari inti atom. Dua varian lepton lainnya - muon dan tau yang secara signifikan lebih berat. Lepton tau beratnya hampir dua kali lipat proton.

Ada tiga jenis lepton, sebagaimana disebutkan sebelumnya yaitu  elektron, muon, dan tau. Masing-masing memiliki neutrino terkait denganya yakni neutrino elektron, neutrino muon, dan neutrino tau. Neutrino memiliki massa hampir nol, maka terkadang neutrino ini disebut sebagai partikel hantu dan tidak bermuatan serta bergerak hampir mendekati kecepatan cahaya.

Elektron dan lepton mulia lainnya memiliki muatan negatif, lebih stabil daripada neutrino, dan dapat mengorbit inti atom. Elektron adalah yang paling stabil dari ketiganya dan dapat ditemukan di seluruh materi. Muon dan tau terbentuk selama percobaan akselerator partikel atau melalui dampak sinar kosmik. Keenam partikel ini memiliki antiparticle terkait tanpa muata yang saling berlawanan, sehingga jumlah total lepton sampai 12. Antipartikel ini  disebut antielectrons, antimuons, dan antitaus.  Ketika sistem yang mengandung lepton berinteraksi satu sama lain, jumlah lepton cenderung tetap. Keadaan yang langka di mana jumlahnya tidak tetap disebut anomali kiral. Kadang-kadang lepton mengubah jenisnya, tapi ini biasanya membutuhkan energi tinggi dan lepton yang berat sangat tidak stabil.

B.       Boson

Boson, dinamakan oleh  Satyendra Nath Bose, adalah partikel-partikel yang membentuk keadaan kuantum komposit simetrik-total. Sebagai hasilnya, mereka menaati statistik Bose-Einstein. Teorem spin-statistik menyatakan bahwa boson memiliki spin "integer". Boson juga satu-satunya partikel yang dapat menempati keadaan yang sama dengan lainnya. Partikel di alam semesta ini berinteraksi melalui gaya-gaya yang dinamakan Gaya Fundamental. Menurut model standar ada empat gaya fundamental yang bekerja di alam. Berdasarkan gaya terlemah hingga yang terkuat, keempat gaya itu adalah gaya gravitasi, gaya nuklir lemah, gaya elektromagnetik, dan gaya nuklir kuat.

1.      Force Particles (Gauge boson)

Gauge boson adalah partikel dasar yang beraksi sebagai pembawa gaya fundamental (gaya gravitasi, gaya nuklir lemah, gaya elektromagnetik, dan gaya nuklir kuat). Empat gaya ini dimediasi oleh 5 partikel tak bermassa yang dinamakan boson acuan (gauge boson). Dengan demikian interaksi antara partikel terjadi karena adanya pertukaran boson dari satu partikel ke partikel lain, satu partikel melepas boson lalu ditangkap oleh partikel lain. Besarnya gaya yang dialami bergantung pada seberapa cepat boson dipertukarkan. Gaya nuklir kuat dihantarkan oleh partikel bernama Gluon, gaya elektromagnetik dibawa oleh Photon, gaya nuklir lemah dihantarkan oleh pasangan partikel yang dinamakan boson W (positif dan negatif) dan boson Z, dan gravitasi dihantarkan oleh Graviton. Dari 5 partikel ini, 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.

2.      Higgs Boson

Higgs Boson adalah partikel dasar masif hipotetis yang diperkirakan sesuai dengan model standar fisika partikel. Keberadaannya diyakini sebagai tanda-tanda penyelesaian atas sejumlah inkonsistensi pada Model Standar. Eksperimen untuk menemukan partikel ini sedang dilakukan dengan menggunakan Penumbuk Hadron Raksasa (LHC) di CERN, serta di Tevatron Fermilab sampai Tevatron ditutup pada akhir 2011. Pada 12 Desember 2011, kolaborasi ATLAS di LHC menemukan bahwa massa higgs boson yang beragam mulai dari 145 sampai 206 GeV ditiadakan dengan tingkat keyakinan 95%.

Higgs Boson adalah satu-satunya partikel dasar prediksi model standar yang belum diamati dalam eksperimen fisika partikel. Partikel ini adalah bagian integral dari mekanisme Higgs, bagian dari model standar yang menjelaskan bagaimana sebagian besar partikel dasar yang telah diketahui memperoleh massanya. Misalnya, mekanisme Higgs akan menjelaskan mengapa boson W dan Z, yang menjadi perantara interaksi lemah, memiliki massa sementara foton, yang menjadi perantara elektromagnetisme, tidak memiliki massa. Higgs boson diperkirakan termasuk dalam kelas partikel boson skalar (boson adalah partikel dengan putaran integer, dan boson skalar memiliki putaran 0)

Teori yang tidak membutuhkan higgs boson juga muncul dan akan dipertimbangkan jika keberadaan higgs boson ditiadakan. Teori-teori tersebut disebut sebagai model nir-Higgs. Sejumlah teori menyatakan bahwa mekanisme apapun yang mampu menciptakan massa partikel dasar harus tampak dengan energi kurang dari 1,4 TeV; karena itu, LHC diharapkan mampu memberikan bukti eksperimental atas keberadaan atau ketidakberadaan higgs boson.

 DAFTAR PUSTAKA

Sugondo Praktikto. 2013. Partikel elementer. Online (http://sugondopratikto.blogspot.com/2013/06/partikel-elementer.html diakses pada 18 Mei 2014)

Anonym. Partikel Elementer. Online (http://ilmunuklir.wordpress.com/tag/partikel-elementer/ diakses pada 18 Mei 2014)

Anonym. 2011. Partikel Tuhan atau Partikel Hantu. Online (http://edukasi.kompasiana.com/2011/01/18/partikel-tuhan-atau-partikel-hantu-333897.html diakses pada 18 Mei 2014)

Esti Sarea. 2011. Pembentuk Jagad Raya. Online (http://estisarea.blogspot.com/2011/08/3-pembentuk-jagad-raya.html diakses pada 18 Mei 2014)