Mengenal Partikel Elementer (bagian 6) : Boson

Pada tulisan sebelumnya dibicarakan tentang keluarga kuark dan keluarga Lepton. Gabungan keluarga lepton dan keluarga kuark membentuk "keluarga fermion". Sedangkan, foton, gluon, graviton, W plus, W minus, Z nol adalah anggota "keluarga boson". Sehingga, sebenarnya “hanya” ada dua keluarga besar partikel elementer: keluarga fermion dan keluarga boson.

Foton

Dalam fisika, foton (dari bahasa Yunani yang bermakna cahaya) adalah kuantum medan elektromagnetik, sebagi contoh cahaya. Foton pada awalnya disebut “kuanta energi”.
Foton dapat dipandang sebagai helombang atau partikel, bergantung pada bahagaimana ia diukur. Foton adalah salah satu partikel elementer. Interaksinya dengan elektron dan inti atom bertanggung jawab untuk banyak bentuk materi, semisal keberadaan dan stabilitas atom, molekul dan zat padat. Interaksi ini dipelajari dalam elektrodinamika kuantum, yang merupakan bagian paling tua dari Model Standar fisika partikel.
Dalam beberapa kasus foton berperilaku sebagai partikel, sebagai contoh ketika pencatatan oleh perangkat sensitif cahaya dalam kamera. Menurut apa yang disebut dualitas partikel-gelombang dalam fisika kuantum, adalah alami bagi foton untuk menunjukkan kedua aspek alamnya, menurut keadaannya. Secara normal, cahaya dibentuk dari sejumlah besar foton, dengan intensitas terkait number mereka. Pada intensitas rendah, ia memerlukan instrumen yang sangat peka, digunakan dalam astronomi atau spektroskopi, sebagai misal, mendeteksi foton individual.

Sifat-sifat

Foton secara umum dikaitkan dengan cahaya nampak, namun hal ini sesungguhnya hanya bagian terbatas dari spektrum elektromagnetik. Seluruh radiasi elektromagnetik dikuantisasi sebagai foton: yakni, jumlah paling kecil radiasi elektromagnetik yang dapat ada dalam satu foton, apa pun panjang gelombangnya, frekuensinya, energi atau momentumnya.
Foton adalah partikel fundamental. Foton dapat dihasilkan dan dimusnahkan ketika berinteraksi dengan partikel lain, namun tak diketahui meluruh pada diri mereka sendiri. Tak seperti kebanyakan partikel, foton tak memiliki massa intrinsik yang dapat dideteksi atau “massa diam” (berlawanan dengan massa relativistik). Foton selalu bergerak pada kecepatan cahaya (yang bervariasi menurut medium dimana foton menjalar) berkenaan dengan seluruh pengamat.
Di samping ketiadaan massa, foton memiliki momentum yang sebanding dengan frekuensi mereka (atau berbanding terbalik dengan panjang gelombang mereka), dan momentum ini dapat ditransfer ketika foton menumbuk materi(seperti bola bilyar yang bergerak mentransferkan momentum ke bola lain).
Ini dikenal sebagai tekanan radiasi, dimana mungkin suatu hari digunakan untuk pendorong dengan layar matahari. Foton dibelokkan oleh medan gravitasi dua kali sebanyak mekanika Newton prediksi untuk massa yang menjalar pada kecepatan cahaya dengan momentum yang sama sebagaimana foton.
Pengamatan ini pada umumnya dirujuk sebagai bukti pendukung relativitas umum, teori gravitasi yang sangat sukses yang dipublikasikan pada tahun 1915 oleh Albert Einstein. Dalam relativitas umum, foton selalu menjalar dalam garis “lurus”, setelah mempertimbangkan kelengkungan ruang –waktu. (Dalam ruang lengkung, ini disebut geodesik).

Penciptaan Foton

Foton dihasilkan oleh atom ketika elektron terikat bergerak dari satu orbital menuju orbital yang lain dengan lebih sedikit energi. Foton dapat juga diemisikan oleh inti atom tak stabil ketika ia mengalami beberapa tipe peluruhan inti atom. Lebih jauh, foton dihasilkan kapan pun partikel bermuatan dipercepat.
Atom secara kontinyu mengemisikan foton dikarenakan tumbukan mereka satu sama lain. Distribusi panjang gelombang foton-foton ini dikaitkan dengan temperatur absolut mereka (biasanya dalam Kelvin).
Distribusi Maxwell-Boltzmann menyediakan probabilitas foton menjadi panjang gelombang tertentu ketika diemisikan oleh himpunan atom pada temperatur yang diberikan. Spektrum foton demikian secara normal ditemukan dalam jangkauan antara gelombang mikro dan merah infra, namun objek panas akan mengemisikan cahaya tampak juga.
Sebagaimana temperatur lebih jauh meningkat, beberapa foton akan mencapai bahkan frekuensi tinggi, semisal ultra ungu dan sinar-X. Radio, televisi, radar dan tipe lain transmiter digunakan untuk telekomunikasi dan remote sensing secara rutin menciptakan jenis yang lebar dari foton energi rendah dengan osilasi medan listrik dalam konduktor.
Magnetron mengemisikan foton koheren digunakan dalam oven mikrowave rumah tangga. Tabung klystron digunakan ketika emisi gelombang mikro harus lebih baik dikendalikan.
Maser dan laser menciptakan foton monokromatik dengan emisi stimulasi. Lebih banyak foton energetik dapat diciptakan oleh transisi nuklir, pemusnahan partikel-anti partikel, dan dalam tumbukan partikel energi tinggi.

Spin

Foton memiliki spin 1 dan mereka oleh karenanya dikelompokkan sebagai boson. Foton memediasi medan elektromagnetik. Yakni, mereka adalah partikel yang memungkinkan partikel lain berinteraksi satu sama lain secara elektromagnetik dan dengan medan elektromagnetik, sehingga mereka adalah gauge boson.
Secara umum, boson dengan spin 1 seharusnya dapat diamati dengan tiga proyeksi spin berbeda (-1, 0, dan 1). Akan tetapi, proyeksi nol akan memerlukan kerangka dimana foton pada keadaan diam.
Karena massa (diam) adalah nol, sehingga kerangka tak ada, menurut teori relativitas. Sehingga foton dalam ruang kosong selalu menjalar pada kecepatan cahaya, dan menunjukkan hanya dua proyeksi spin, berhubungan dengan dua polarisasi sirkuler berlawanan.
Oleh karena massa intrinsik nol, foton oleh karenanya selalu terpolarisasi secara transversal, dalam cara yang sama sebagaimana gelombang elektromagnetik, dalam ruang kosong.

Gluon

Dalam fisika partikel, gluon memediasi interaksi kuat dari kuark dalam kromodinamika kuantum. Bukti eksperimental pertama dari gluon ditemukan pada tahun 1979 ketika tiga peristiwa jet teramati dalam collider elektron-positron yang disebut PETRA di DESY Hamburg.
Studi kuantitatif hamburan sangat tak elastik (deep inelastic scattering) di Stanford Linear Accelerator Center megukuhkan keberadaan mereka satu dekade sebelumnya. Kegagalan pencarian kuark bebas telah membawa ide kurungan kuark.
Gluon juga kebagian sifat ini dengan menjadi terkurung dalam hadron. Dengan lebih baik, kurungan adalah sifat yang mengatakan bahwa muatan warna bebas tak ada. Satu konsekuensi adalah bahwa gluon tidak tercangkup dalam gaya nuklir. Mediator gaya untuk hal ini adalah hadron lain yang disebut meson.
Gluon adalah boson vektor; ia memiliki spin satu. Biasanya partikel vektor memiliki tiga keadaan spin, namun invariansi gauge mereduksi jumlah keadaan spin dari gluon menjadi dua.
Ia memiliki paritas intrinsik negatip, dan memiliki isospin nol. Dalam teori medan kuantum, invariansi gauge tak rusak mempersyaratkan ahwa boson gauge memiliki massa nol (meskipun batas eksperimental untuk massa gluon adalah sedikit MeV).
Tak seperti foton tunggal dari QED atau tiga boson W dan Z dari interaksi lemah, terdapat delapan tipe independen dari gluon dalam QCD.
Secara teknis QCD adalah teori gauge dengan simetri gauge SU(3). Kuark diperkenalkan sebagai medan Dirac dalam Nf flavour, masing-masing dalam representasi fundamental (triplet) dari grup gauge warna, SU(3). Gluon adalah medan vektor dalam representasi adjoint (octet) dari warna SU(3).
Dalam fase normal dari QCD, ini diprediksi bahwa terdapat hadron yang dibentuk secara keseluruhan dari gluon – disebut bola lem (glueball).
Terdapat juga dugaan tentang eksotik yang lain di mana gluon riil (berlawanan dengan yang nyata ditemukan dalam hadron biasa) akan menjadi pengisi utama.
Pada temperatur ekstrem, bentuk plasma gluon kuark, dimana tak ada hadron, dan gluon menjadi partikel bebas.

Graviton

Di fisika, graviton adalah partikel elementer hipotesis yang mentransmisikan gaya gravitasi dalam kebanyakan sistem gravitasi kuantum.
Untuk melakukan hal ini, satu teori mengusulkan sebagai fakta bahwa graviton harus selalu tarik-menarik (gravitasi tak pernah tolak-menolak), bekerja jarak jauh (gravitasi adalah universal) dan hadir dalam jumlah tak terbatas (untuk menyediakan kekuatan besar bintang-bintang dekat). Dalam teori kuantum, persyaratan ini mendefinisikan sebuah spin genap (spin 2 dalam kasus ini) boson dengan massa diam nol.
Graviton dipostulatkan secara sederhana karena teori kuantum begitu sukses dalam medan lain. Sebagai contoh, interaksi elektromagnetik dapat begitu sukses dijelaskan dengan penerapan kuantisasi foton, sains dikenal sebagai elektrodinamika kuantum.
Dalam kasus ini foton secara kontinyu diciptakan dan dimusnahkan oleh seluruh partikel bermuatan, dan interaksi antara foton-foton ini menghasilkan efek serupa dari listrik dan magnet. Dalam cara yang sama, gaya nuklir kuat Dan gaya nuklir lemah dimediasi oleh gluon dan oleh boson W dan Z.
Diberikan sukses luas teori kuantum dalam menjelaskan gaya-gaya dasar di alam semesta kecuali gravitasi, ini kelihatan natural bahwa metode yang sama bekerja baik pada gravitasi juga.
Banyak usaha pada akhirnya menuju pengantar graviton tak nampak, yang akan bekerja daam bentuk serupa terhadap proton, gluon dst.
Diharapkan bahwa hal ini akan secara cepat menuju teori gravitasi kuantum, meskipun matematika menjadi tergulungb dan teori konsisten internal telah muncul.

Boson W dan Z

Dalam fisika, boson W dan Z adalah partikel elementer yang memediasi gaya nuklir lemah. Penemuan mereka di CERN pada tahun 1983 telah digembar-gemborkan sebagai sukses utama Model Standar fisika partikel.
Partikel W dinamai setelah gaya nuklir kuat. Partikel Z adalah semi humor diberi nama demikian karena ia dikatakan sebagai partikel terakhir yang perlu ditemukan. Penjelasan yang lain adalah bahwa partikel Z menurunkan namanya dari fakta bahwa ia memiliki muatan listrik nol.

Sifat-sifat Dasar W dan Z

Dua jenis boson W ada dengan +1 dan -1 unit elementer dari muatan listrik; W+ adalah anti partikel dari W-. Boson Z (atau Z0) secara kelistrikan netral dan adalah anti partikelnya. Seluruh tiga partikel adalah berumur sangat pendek dengan waktu hidup sekitar 3 × 10-25 detik.
Boson-boson ini adalah sangat berat di antara partikel elementer. Dengan massa 80,4 dan 91,2 GeV/c2, berturut-turut, partikel W dan Z adalah hampir 100 kali semasif proton-lebih berat daripada atom besi.
Massa boson-boson ini adalah signifikan karena ia membatasi jangkauan gaya nuklir lemah. Gaya elektromagnetik, sebagai kontras, memiliki jangkauan tanpa batas karena bosonnya (foton) adalah tak bermassa. Seluruh tiga tipe memiliki spin 1.

Gaya Nuklir Lemah

Boson W dan Z adalah partikel pembawa yang memediasi gaya nuklir lemah, sangat mirip foton adalah partikel pembawa gaya elektromagnetik. Boson W dikenal sangat baik untuk peranannya dalam peluruhan nuklir. Tinjau, sebagai contoh, peluruhan beta dari cobalt-60, sebuah proses penting dalam peledakan supernova dan bom neutron.
Reaksi ini tidak mencangkup keseluruhan inti cobalt-60, namun memengaruhi hanya satu dari 33 neutronnya. Neutron diubah menjadi proton sementara juga mengemisikan elektron (disebut partikel beta dalam konteks ini) dan sebuah antineutrino.
Lagi, neutron bukan partikel elementer namun partikel komposit terdiri dari kuark up dan dua kuark down (udd). Hal ini dalam fakta salah satu dari kuark down yang berinteraksi dalam peluruhan beta, mengubah kuark up untuk membentuk proton (uud). Pada level yang paling fundamental, gaya lemah mengubah flavor kuark tunggal, yang mana segera diikuti oleh peluruhan W itu sendiri.
Menjadi anti partikelnya sendiri, boson Z memiliki seluruh bilangan kuantum nol. Pertukaran boson Z antara partikel, disebut interaksi arus netral, oleh karenanya membiarkan partikel berinteraksi tak terpengaruh, kecuali untuk transfer momentum.
Tak seperti peluruhan beta, pengamatan interaksi arus netral memerlukan investasi yang besar dalam akselerator dan detektor partikel, seperti tersedia dalam hanya sedikit laboratorium fisika energi tinggi di dunia.

Prediksi W dan Z

Menurut sukses spektakuler elektrodinamika kuantum dalam tahun 1950-an, usaha-usaha dilakukan untuk memformulasikan teori serupa dari gaya nuklir lemah.

Ini berpuncak sekitar tahun 1968 dalam teori gabungan elektromagnetik dan interaksi lemah oleh Sheldon Glashow, Steven Weinberg dan Abdus Salam, dimana mereka berbagi Hadiah Nobel Fisika tahun 1979. Teori elektrolemah mereka dipostulatkan tak hanya boson W yang diperlukan untuk menjelaskan peluruhan beta, namun juga boson Z baru yang belum pernah teramati.
Fakta bahwa boson W dan Z memiliki massa sementara foton tak bermassa adalah rintangan utama dalam pengembangan teori elektrolemah. Partikel-partikel ini secara akurat dideskripsikan oleh teori gauge SU(2), namun boson-boson dalam teori gauge harus tak bermassa.
Sebagai sebuah kasus, foton tak bermassa karena elektromagnetik dideskripsikan oleh teori gauge U(1). Beberapa mekanisme diperlukan untuk merusak simetri SU(2), memberi massa terhadap W dan Z dalam proses.
Satu penjelasan, mekanisme Higgs, disampaikan oleh Peter Higgs akhir tahun 1960-an. Hal ini memprediksi keberadaan partikel yang belum ditemukan, boson Higgs.
Kombinasi teori gauge SU(2) dari interaksi lemah, interaksi elektromagnetik dan mekanisme Higgs dikenal sebagai model Glashow-Weinberg-Salam. Hari ini model tersebut secara luas diterima salah satu dari pilar Model standar fisika partikel.
Hingga tahun 2003, hanya prediksi Model Standar yang belum ditetapkan secara eksperimental adalah keberadaan boson Higgs.

Penemuan W dan Z

Penemuan partikel W dan Z adalah cerita sukses utama CERN. Pertama, pada tahun 1973, datang pengamatan interaksi arus netral sebagaimana diprediksi oleh teori elektrolemah.
Kamar gelembung Gargamelle besar memfoto lintasan beberapa elektron tiba-tiba mulai bergerak, nampaknya dari persesuaian milik mereka. Hal ini ditafsirkan sebagai neutrino yang berinteraksi dengan elektron dengan mempertukarkan Z boson yang tak tampak.
Neutrino adalah cara lain yang tak terdeteksi, sehingga hanya efek teramati adalah momentum yang disampaikan ke elektron oleh interaksi. Penemuan partikel W dan Z harus menunggu pembangunan akselerator partikel yang cukup tenaga untuk menghasilkan mereka.
Mesin pertama demikian yang tersedia adalah Super Proton Synchrotron, dimana sinyal terang partikel W terlihat pada Januari 1983 selama serangkaian eksperimen yang dilakukan oleh Carlo Rubia dan Simon van der Meer. (Eksperimen aktual disebut UA1 (dipimpin oleh Rubia) dan UA2, dan adalah usaha kolaborasi dari banyak orang. Van der Meer adalah daya penggerak ujung akselerator (pendingin stokastik).)
UA1 dan UA2 menemukan Z beberapa bulan kemudian, dalam bulan Mei 1983. Rubbia dan van der Meer dengan segera dianugerahi Hadiah Nobel Fisika, sebuah tahapan yang sangat tak biasa untuk Yayasan Nobel yang konservatif.