Mengenal Partikel Elementer (bagian 8(Penutup)) : Interaksi Fundamental dan Partikel

Interaksi dan Medan

Pada setiap komunikasi ada interaksi. Setiap interaksi memiliki jangkauan dan ada sesuatu yang dipertukarkan untuk berlangsungnya interaksi tersebut. Hal yang sama berlaku dalam fisika. Untuk menerangkan interaksi di perkenalkan konsep medan. Mengapa harus ada medan apakah tidak cukup dengan gaya?

Jika kita melepaskan batu di atas permukaan bumi, maka seketika batu itu akan jatuh ke permukaan bumi. Pertanyaannya, apakah interaksi antara bumi dan batu berlangsung seketika atau punya waktu? Jika seketika, artinya kecepatan interaksi tak berhingga, karena ada jarak antara permukaan bumi dan batu, mungkinkah kecepatan tak berhingga? Jika punya waktu, koq kenyataannya batu seketika  mendapat gaya gravitasi ? Untuk mengatasi masalah ini, para ilmuwan memperkenalkan konsep medan.

Jauh sebelum batu berada di posisinya, bumi memancarkan medan ke segala arah dengan kecepatan berhingga yang besarnya sama dengan kelajuan cahaya. Ini artinya pada titik di mana batu dilepaskan tadi sudah terdapat medan gravitasi dan ketika batu berada di titik itu, maka batu tadi seketika mendapatkan medan dan seketika berinteraksi dengan bumi. Tinjauan sebaliknya juga dapat dilakukan dengan menganggap batu sebagai pemancar medan karena demikianlah sifat interaksi berlangsung dua arah.

Pada pemancaran medan gravitasi yang dipancarkan adalah gelombang gravitasional yang bentuk partikelnya adalah graviton.

Interaksi Fundamental

Empat jenis interaksi antara partikel elementer dapat menerangkan proses yang dikenal di alam semesta dengan segala skala dan ukuran. Interaksi ini dapat dilihat dalam tabel di bawah ini bersama dengan partikel yang dipengaruhinya, jangkauan aksinya, dan partikel yang dipertukarkannya:

INTERAKSI	PARTIKEL YANG DIPENGARUHI	JANGKAUAN	KEKUATAN RELATIF	PARTIKEL PERTUKARAN
Nuklir kuat	Hadron dan Quark	~ 10-15 m	1	Meson dan Gluon
Elektomagnet	Partikel bermuatan	tak berhingga	~ 10-2	Foton
Nuklir Lemah	Hadron dan Lepton	~ 10-17 m	~ 10-13	Boson Madya
Gravitasi	semua	Tak berhingga	~ 10-40	Graviton

Walaupun kekuatan interaksi relatif berbagai interaksi berkisar sampai10 pangkat 40, jarak efektifnya sangat berbeda. Gaya nuklir kuat antara nukleon yang berdekatan mengungguli sepenuhnya gaya gravitasi anatara nukleon tersebut, tetapi jika keduanya berjarak 1 milimeter, kebalikannya berlaku. Struktur nuklir ditentukan oleh sifat interaksi nuklir kuat. Bongkahan materi biasanya neytral secara listrik, dan interaksi nuklir kuat dan nuklir lemah jangkauannya sangat terbatas. Jadi interaksi gravitasi yang tak berperan dalam skala kecil, menjadi utama dalam skala besar. Peranan gaya nuklir lemah dalam struktur materi jelas hanya sebagai gangguan kecil, sehingga inti dengan rasio neutron / proton yang kurang baik akan melakukan peluruhan beta untuk melakukan koneksi.

Graviton merupakan pembawa dari medan gravitasi harus tak bermassa, mantap dan memiliki spin 2 dan bergerak dengan kelajuan cahaya. Massa nolnya dapat diturunkan dari jangkauan gaya gravitasi yang tak berhingga. Gaya interaksi antara dua buah benda dapat dipandang sebagai ditransmisikan oleh pertukaran partikel antara keduanya. Jika kekekalan energi berlaku, prinsip ketaktentuan memberi syarat bahwa jangkauan gaya berbanding terbalik dengan massa partikel yang dipertukarkan, sehingga dalam interaksi gravitasi dapat memiliki jangakauan tak berhingga hanya jika massa graviton nol. Interaksi graviton dengan materi sangat lemah, sehingga sangat sukar dideteksi. Tidak terdapat kenyataan eksperimental yang mendukung atau menolak keberadaan graviton.(Baca juga tentang tetapan Planck )

Pembawa interaksi lemah disebut boson vektor madya, dan jenisnya ada dua. Karena interaksi nuklir lemah memiliki jangakauan yang sangat pendek, massa diam partikel itu harus besar, lebih dari 30 kali massa proton. Jenis pertama disebut W memiliki spin 1 dan muatan ±e dan bertanggung jawab atas peluruhan beta. Jenis lainnya disebut Z, juga berspin 1, tetapi neutral secara listrik atau lebih berat dari W;efeknya sebegitu jauh, hanya terdeteksi pada eksperimen hamburan energi tinggi tertentu. Walaupun partikel W merupakan partikel pertukaran lamiah untuk interaksi nuklir lemah dan diusulkan bertahun tahun sebelumnya, ide partikel Z timbul lebih baru dalam teori yang menyatukan interaksi nuklir lemah dan interaksi electromagnet, dan penemuan efek yang lebih baru telah menolong meyakinkan teori tersebut. Hubungan antara interaksi lemah dan electromagnet secara bebas dikembangkan dalam tahun 1960 oleh Abdus Salam dan Steven Weinberg. Persoalan kunci untuk mengatasi pengembangan teori tersebut adalah pembawa gaya lemah sedangkan pembawa gaya elektromagnetik yaitu foton tak bermassa. Apa yang dilakukan oleh Salam dan Weinberg ialah menunjukkan bahwa pada tingkat primitif kedua gaya itu merupakan manifestasi dari interaksi tunggal (eleketroweak) yang perantaranya adalah empat boson tak bermassa. Melalui proses yang smooth yang disebut SSB (Spontaneus Simetry Breaking), ketiga boson itu menerima massa dan menjadi partikel W dan Z dengan konsekuen sinya terjadi reduksi pada jangkauan gayanya sehingga muncul sebagai bagian lemah dari interaksi total. Boson keempat , foton tetap tak bermassa dan jangkauan bagian electromagnet dari interaksi total tetap tak bermassa.

Karena hadron terdiri dari quark, interaksi kuat antara hadron pada akhirnya harus dirunut pada interaksi antara quark. Partikel yang dipertukarkan antara quark untuk menimbulkan interaksi nuklir kuat disebut gluon yang dipostulatkan ada delapan. Gluon tak bermassa, bergerak dengan kelajuan cahaya dan masing masing memiliki warna dan anti warna. Pemancaran dan penyerapan gluon oleh quark merubah warna quark itu. Teori yang menerangkan bagaimana quark berinteraksi dengan lainnya dikenal sebagai khromodinamika kuantum yang modelnya diambil dari elektrodinamika kuantum yang menggambarkan bagaimana partikel bermuatan saling berinteraksi , dengan warna menggantikan muatan. Walaupun khromodinamika kuantum rupanya mampu menerangkan kelakuan quark dalam hadron, dan telah meramalkan efek tertentu yang telah diamati dengan eksperimen energi tinggi, teori itu belum berhasil menerangkan secara terperinci bagaimana interaksi berjangkauan panjang antara quark menimbulkan gaya hadron hadron.

Cukup menakjubkan interaksi kuat rupanya dapat digabungkan dengan interaksi lemah dan elektromagnetik menjadi sebuah kemanunggalan yang disebut sebagai teori grand unified theory (GUT). Dalam GUT gaya kuat, lemah dan elektromagnetik muncul sebagai manifestasiyang berbeda dari suatu gejala dasar, dengan lepton dan quark memukan tempatnya yang wajar dalam skema itu. Dengan memasukkan lepton dan quark dalam dalam kerangka yang sama , mungkin dapat diterangkan mengapa elektron (sebuah lepton) dan proton ( sebuah komposit quark) mempunyai muatan listrik yang tepat sama. Ternyata perlu diperkenalkan interaksi antara lepton dan quark yang memungkinkan anggota dari suatu kelas ditransformasikan menjadi anggota kelas lainnya. Ini berarti bahwa proton yang sampai sekarang mantap total, harus pada akhirnya meluruh jadi lepton. Tentu saja, interaksi lepton-quark yang diperlukan dalam teori harus sangat lemah, sehingga umur rata rata proton diperkirakan 10³⁰ tahun; untuk pembanding diketahui bahwa umur alam semesta kurang dari 10¹⁰ tahun.

Bagaimana dengan gravitasi? Langkah terakhir untuk mengerti bagaimana alam ini bekerja ialah membentuk teori tunggal ; Theory Of Everything (TOE) yang menyangkut semua partikel dan interaksinya yang teramati dan ada tanda tanda bahwa ini merupakan suatu yang berada di luar jangkauan kita.

Fisika Partikel dan Kosmologi 

Dewasa ini fisika partikel dan kosmologi saling terkait begitu eratnya. Hampir mustahil seseorang menjadi pakar dalam bidang fisika partikel tanpa memiliki pengetahuan tentang kosmologi, demikian pula sebaliknya. `Rumah kita` yang kita huni saat ini adalah rumah yang sangat luas dan tidak ada satupun (nothing) di luarnya secara fisikawi. Jika misalkan kita ingin mengetahui manakah yang lebih baik mutunya antara semen tiga roda, semen padang, atau semen tonasa, kita tidak dapat keluar dari `rumah` dan menanyakan ke `masyarakat umum`. Akan tetapi kita harus meneliti sendiri apa yang ada di rumah kita tersebut untuk mengetahui mana yang lebih baik di antara ketiganya. Tetapi di bagian mana yang terbuat dari semen padang, semen tonasa, dan semen tiga roda? Tentu kita membutuhkan pengetahuan awal tentang sifat ketiga semen tersebut. 

Demikian pula pada fisika partikel dan kosmologi. Dewasa ini kajian-kajian fisika partikel diarahkan untuk menjawab masalah-masalah seperti : monokutub magnet, quark, teori kemanunggalan agung, dan sebagainya. Banyak teori dan model yang telah dibuat untuk menerangkan / meramalkan berbagai masalah tersebut. Kesemuanya memerlukan verifikasi empiris. Untuk membuat laboratorium (akselerator) yang menguji model-model tersebut tidaklah mudah. Di samping masalah-masalah non tehnis seperti dukungan dana dan kebijakan pemerintah, juga masalah tehnis seperti energi akselerator. Sebagai contoh adalah super-proton-syncrotron (SPS) di CERN Jenewa, mampu mempercepat proton sampai berenergi  500 GeV dalam suatu lingkaran yang diameternya melebihi 1 mil. Namun berapakah energi yang harus dibangkitkan untuk menguji teori kemanunggalan interaksi kuat dan elektroweak? Jauh lebih besar dari itu ! Konon dibutuhkan akselerator dengan keliling melebihi keliling bumi ! Belum lagi jika interaksi gravitasi diikutkan, tentu akan sangat mustahil membuat akseleratornya. `Laboratorium` dengan energi yang sangat besar seperti yang diharapkan untuk menguji model-model yang sedang dikembangkan  pada saat ini hanya pernah ada sekali di alam semesta yaitu pada saat yang sangat dini dari alam semesta. Maka seorang  fisikawan partikel harus menengok kosmologi. Mungkin tidak perlu membuat akselerator yang sangat mahal dan besar jika teori-teori dalam kosmologi sudah mapan. Tetapi untuk mewujudkan hal tersebut tentunya para kosmolog membutuhkan pengetahuan fisika partikel yang memadai.(Baca juga tentang alam semesta)

Dari uraian ini kita tahu betapa rumitnya untuk mengenal `rumah kita` sendiri. Berapa banyak batang pena yang telah dipakai dan telah berapa liter tinta telah dihabiskan untuk sekedar mengenal `rumah kita`. Belum lagi ilmu tentang para penghuninya. Bagaimana pula dengan ilmu Allah yang lain tentunya kita tak sanggup menulisnya, sebagaimana firman-Nya dalam surah Luqman ayat 27 yang artinya:

‘ Dan sekiranya semua pohon yang ada di bumi dijadikan pena dan laut (dijadikan tinta), ditambah lagi sesudah itu dengan tujuh laut, belum habis dituliskan kalimat Allah. Sesungguhnya Allah itu Maha Kuasa lagi Maha Bijaksana”

Wallahu a`lam