PARTIKEL ELEMENTER
A. Pengertian partikel elementer
Partikel elementer merupakan Partikel yang substrukturnya (bagian-bagiannya) tidak diketahui, bisa jadi partikel itu tunggal, bisa jadi gabungan dari partikel-partikel lain (partikel kompostit).
B. Hubungan interaksi fundamental dan partikel elementer
Pandangan terhadap alam semesta ini dapat menjadi lebih baik jika diketahui komponen-komponen dasar materi penyusun benda-benda di alam semesta serta interaksi antar komponen-komponen dasar tersebut. Sejauh ini, telah dapat diketahui adanya empat bentuk interaksi fundamental yang bertanggung jawab terhadap berbagai macam interaksi antar materi. Secara umum, konsep interaksi digunakan untuk menyatakan hubungan timbal-balik antara objek-objek yang ditinjau. Konsep ini bermanfaat terutama untuk analisa bentuk hubungan antar objek materi. Keempat interaksi fundamental tersebut adalah: interaksi gravitasi, elektromagnetik, nuklir lemah dan nuklir kuat. Interaksi gravitasi bersifat tarik-menarik (selalu tarik-menarik) antar partikel-partikel materi. Hukum Newton tentang gravitasi universal menyatakan, besar interaksi tarik-menarik antar dua partikel m ateri sebanding dengan massa kedua partikel tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak y ang memisahkan keduanya. Interaksi ini memiliki jangkauan yang amat jauh (tak hingga), karena bila terdapat partikel-partikel materi maka tentu terjadi terj adi interaksi gravitasi. Interaksi gravitasi inilah yang menyebabkan partikel materi mengumpul menjadi satu hingga terbentuk planet-planet, bintangbintang, yang menyusun tata surya serta galaksi. Konsep interaksi memerlukan adanya "partikel interaktif" untuk menyatakan gagasan hubungan antar partikel materi. Dalam hal interaksi gravitasi, interaksi antar partikel materi dilakukan oleh partikel interaktif graviton. Gr aviton bersifat tak bermassa, sehingga jangkauan interaksinya meliputi jarak tak hingga dan bergerak dengan kece patan cahaya. Karena kekuatan interaksi gravitasi sangat lemah (paling lemah bila dibandingkan dengan tiga interaksi yang lain), maka sukar untuk mendeteksi keberadaan graviton ini. Interaksi fundamental berikutnya, interaksi elektromagnetik, terjadi antara partikel-partikel bermuatan listrik (atau partikel bermuatan saja). Berbeda dengan interaksi gravitasi yang bersifat hanya tarikmenarik, interaksi elektromagnetik bisa tarik-menarik maupun tolak-menolak. Sesama proton atau sesama elektron, interaksi yang terjadi bersifat tolak-menolak. Hal ini disebabkan karena proton memiliki muatan sejenis dengan proton lain-katakanlah bermuatan listrik positip dan demikian juga interaksi antar elektron yang dicirikan dengan muatan listrik-katakanlah negatif. Sebaliknya, terjadi interaksi tarik-menarik antara proton dan elektron, karena mereka berbeda muatan! Sebagaimana interaksi gravitasi memerlukan ide graviton, interaksi elektromagnetik juga per lu idekatakanlah foton. Sejauh ini diketahui, foton tak bermassa. Struktur atom dapat dipahami sebagai
interaksi tarik-menarik antara proton (inti) dan elektron yang mengelilingi inti. Demikian juga dengan struktur molekul, zat padat dan zat cair. Interaksi elektromagnetik memiliki kekuatan interaksi yang relatif lebih besar yakni sekitar 1 dengan 37 nol dibelakangnya bila dibandingkan dengan kekuatan interaksi gravitasi. Interaksi nuklir lemah memiliki jangkauan interaksi paling pendek bila dibanding dengan interaksi fundamental yang lain. Interaksi ini memiliki kekuatan interaksi relatif lebih besar bila dibandingkan dengan interaksi gravitasi yakni sekitar 1 dengan 34 nol di belakangnya. Interaksi nuklir lemah berperan dalam koreksi susunan inti atom. Inti atom yang tersusun dari sejumlah proton dan sejumlah neutron dengan perbandingan yang tak harmonis akan berusaha mendapatkan komposisi yang proporsional dengan melakukan peluruhan partikel beta. Partikel interaktif interaksi lemah diemban oleh boson madya, sebagai penghubung antara kuark (partikel elementer penyusun proton dan neutron) dan lepton. Interaksi nuklir kuat bertanggung jawab terhadap penggabungan kuark menjadi proton atau neutron, serta penggabungan keduanya menjadi inti atom. Interaksi nuklir kuat antar kuark dihubungkan oleh partikel interaktif yang disebut gluon, menggabungkan kuark-kuark terikat menjadi nukleon. Dan juga, interaksi antar hadron (misal, proton dan neutron) yang dihubungkan oleh meson, yang mengikat nukleon menjadi inti atom. Interaksi nuklir kuat berperan penting dalam jangkauan pendek dan memiliki kekuatan interaksi relatif paling besar bila dibandingkan dengan kekuatan interaksi fundamental yang lain.
C. Pengklasifikasi partikel elementer
Dalam pengklasifikasi partikel elementer dibedakan menjadi:
1. fundamental fermions (quarks, leptons, antiquarks, and antileptons): partikel-partikel “materi” dan “antimateri “
Partikel elementer penyusun materi yang berada pada kolom pertama, kedua dan ketiga (12 partikel) masuk dalam kategori fermion, partikel-partikel tersebut mematuhi kaidah yang berlaku pada statistika Fermi-Dirac (dikemukakan oleh Enrico Fermi dan Paul Dirac secara terpisah) diantaranya adalah , memiliki spin kelipatan ½, mematuhi prinsip eksklusi Pauli dan fungsi gelombangnya bersifat antisimetri. a. Matter particles Bagian yang berwarna ungu adalah partikel yang masuk kategori quark. Terdapat 6 jenis quark yaitu: 1) up, 2) down, 3) charm, 4) strange, 5) top, 6) bottom. Murray Gell-Mann memberi nama partikel tersebut dengan sebutan quark setelah ia mendengar bunyi bebek (kwork kwork kwork) dan membaca buku karangan James joyce yang berjudul Finnegans Wake
yang didalamnya terdapat kata quark. Di alam semesta, quark tidak ditemukan “seorang diri” melainkan
berada secara bersama dalam suatu partikel komposit bernama hadron. Salah satu je nis partikel hadron adalah proton. Bagian yang berwarna hijau adalah partikel yang masuk kategori lepton. Terdapat 6 jenis lepton yaitu: 1) electron, 2) electron neutrino, 3) muon, 4) muon neutrino, 5) tauon, 6) tauon neutrino. Kata Lepton berasal dari bahasa yunani, leptos yang artinya tipis. Pada awalnya partikel e lementer jenis ini dinamakan lepton oleh Léon Rosenfeld pada tahun 1948 karena memiliki massa yang sangat k ecil. Saat itu, baru electron dan muon yang diketahui keberadaannya dan massa keduanya sangat kecil dibandingkan dengan massa proton. Namun saat tauon ditemukan sekitar tahun 1970, ternyata massanya hampir 2 kali massa proton. Tetapi penamaan lepton tetap dipertahankan. b. Antimatter particles Antimatter particles terdiri dari: 1) Antiquarks 2) Antileptons
2. fundamental bosons (gauge bosons and Higgs boson): partikel=partikel gaya à yang memungkinkan teerjadinya interaksi antar fermion.
Partikel elementer penyusun materi yang berada pada kolom terakhir (4 partikel) masuk kategori boson. “Mereka” adalah partikel elementer yang menjadi mediator (perantara) pada proses terjadinya suatu
interaksi dan mematuhi statistika Bose-Einstein (dikemukakan oleh Satyendra Nath Bose dan Albert Einstein secara terpisah) diantaranya adalah memiliki spin kelipatan bilangan bulat, tidak mematuhi prinsip eksklusi Pauli dan fungsi gelombangnya bersifat simetris. a. Force particles (gauge bosons) Bagian yang berwarna merah adalah partikel yang masuk kategori boson. Terdapat 4 jenis boson yaitu : 1) photon, 2) gluon, 3) Z-boson, 4) W-boson. Keempatnya merupakan mediator pada interaksi fundamental dalam fisika. Photon adalah mediator pada interaksi elektromagnetik; gluon adalah mediator pada interaksi kuat dan Z-boson dan W-boson adalah mediator pada interaksi lemah. Terdapat empat interaksi fundamental dalam fisika, tiga diantaranya sudah disebutkan diatas dan yang keempat adalah interaksi gravitasi. Saat mempelajari partikel elementer, interaksi gravitasi diabaikan karena pengaruhnya sangat kecil dan dapat diabaikan. Analoginya adalah sama seperti saat kita mengabaikan gesekan udara pada waktu menghitung energi
mekanik dari batu yang dijatuhkan dari ketinggian tertentu diatas permukaan bumi. b. Scalar boson
Partikel Elementer 1.
Definisi Partikel Elementer
Partikel elementer adalah sebuah partikel yang terbangun dari se jumlah kecil partikel yang belum dikenal atau belum terdeteksi bagian-bagiannya. Entah tersusun dari 1 partikel (partikel tunggal) atau tersusun dari beberapa partikel.Namun kenyataanya, partikel-partikel elementer merupakan unsur pokok yang membangun materi.
2.
Klasifikasi Partikel Elementer
Partikel elementer secara garis besar dapat dibedakan berdasarkan nilai spinnya atau berdasarkan interaksi yang mempengaruhi. Berdasarkan perbedaan nilai spinnya partikel dibedakan menjadi partikel fundamental fermion (spin pecahan) dan partikel fundamental boson (spin bulat). a.
Partikel fundamental fermions (materi- antimateri)
Suatu partikel dikatakan sebagai fermion identitas jika memiliki spin setengah bilangan bulat dan fungsifungsi gelombang dari kedua gelombang berubah ketika saling bertukaran. Pada umumnya materi tersusun atas fermion dan boson, lepton dan quark termasuk dalam keluarga fermion sedangkan pada keluarga boson terdapat partikel gauge bosons serta higgs bosons.
Ø Lepton Merupakan partikel elementer yang paling sederhana yang tidak terdapat pet unjuk adanya struktur internal, bahkan tidak ditemukannya ukuran dalam ruang. Partikel ini hampir mendekati partikel-titik. Elektron dan neutrino merupakan lepton. Elektron adalah partikel elementer yang pertama, yang teorinya diusulkan oleh Dirac. Teori tersebut menyebutkan bahwa didapatkannya persamaan gelombang untuk partikel bermuatan dalam medan elektromagnetik dengan memasukkan efek relativitas khusus. Ketika massa dan muatan elektron hasil pengamatan dimasukkan dalam solusi yang sesuri dengan pe rsamaan tersebut, momentum sudut elektron didapatkan 1/2h spinnya 1/2 dan momen magnetiknya didapatkan eh/2m, atau magneton Bohr. Namun, ramalan Dirac tidak sesuai dengan eksperimen. Dalam eksperimennya, Dirac menemukan elektron positif yang biasanya disebut dengan positron. Positron tersebut sering disebut dengan antipartikel dari elektron, karena positron dapat bergabung dan musnah bersama e lektron. Anti-partikel dari suatu partikel mempunyai massa, spin dan umur yang sama, tetapi muatannya (jika ada) berlawanan dan penjajaran atai anti-penjajaran antara spinnya dan momen magnetiknya selalu berlawanan dengan partikelnya. Begitu juga neutrino, neutrino memiliki anti-neutrino. Keduanya memiliki perbedaan khusus, yaitu terletak pada arah geraknya. Neutrino memiliki arah gerak yang berlawanan dengan arah gerak jarum jam, sedangkan antineutrino memiliki arah gerak yang searah dengan arag gerak jarum jam. Dua anggota lain dari keluarga lepton adalah muon. Muon merupakan hasil peluruhan pion. Selain meluruh menjadi mion, pion juga meluruh menjadi neutrino. Namun, neutrino ini berasal dari peluruhan beta. Ø Quark Merupakan bagian terkecil dari hadron yang mempunyai pecahan muatan dan sifat yang disebut dengan warna yang menyebabkan interaksi kuat. Hadron sendiri merupakan partikel berinteraksi kuat. Quark pada hakikatnya merupakan partikel-titik yang tidak memiliki struktur internal, tetapi berlainan dengan lepton dan bahkan berlainan dengan partikel lain dalam alam diduga memiliki muatan listrik pecahan. Terdapat beberapa jenis quark, dan dipercaya terdapat paling sedikit enam flavor, yang disebut up, down, stange, charmed, bottom, dan top. Setiap flavor terdiri dari tiga warna, yakni merah, hijau dan biru. Perli ditekankan bahwa istilah-istilah seperti flavor dan khususnya warna hanya merupakan label atau pengenal saja. Quark jauh lebih kecil dari panjang gelombang cahaya tampak sehingga tidak akan memiliki warna dalam keadaan yang sebenarnya. Proton dan netron terdiri dari tiga quark dengan warna yang berbeda. Proton tersusun atas dua quark up dan sat u quark down, sedangkan netron tersusun dari dua quark down dan satu quark up. Tiga quark semula diberi label u untuk “up, d untuk “down”, dan s untuk “strange” dan particle itu dan antipartikelnya
u: +2/3 e d: - 1/3 e
u : - 2/3 e d : +1/3 e
,
diberi muatan sebagai beikut :
s: - 1/3 e
s : +-1/3 e
Sifat Tiga Generasi Quark dan Lepton
Masing-masing quark memiliki bilangan barion B 1/3 dan masing-masing antiquark memiliki bilangan barion B= -1/3. Sebuah barion terdiri dari 3 Quark, sehingga memiliki B= +1, dan antibarion terdiri dari 3 antiquark, sehingga B= -1; meson terdiri dari satu quark dan satu anti-quark, sehingga B= 0. Quark semuanya memiliki paritas genap dan spin 1/2.
Generasi
Quark
Simbol
Muatan, e
Keanehan
Pesona
1
Ke atas
u
(+ ⅔)
0
0
Ke bawah
d
(- ⅓)
0
0
Pesona
c
(+ ⅔)
0
1
Keanehan
s
(- ⅓)
-1
0
Puncak
t
(+ ⅔)
0
0
dasar
b
(- ⅓)
0
0
Generasi
Lepton
Simbol
Muatan, e
1
Elektron
e-
-1
e-Neutrino
ve
0
Muon
µ-
-1
µ-Neutrino
vµ
0
-
-1
2
3
2
3
Tau -Neutrino
b.
V
0
Partikel fundamental boson
Suatu partikel dikatakan boson identitas jika memiliki spin bilangan bulat dan fungsi fungsi gelombang dari kedua partikel tidak berubah ketika saling bertukaran. Meson dan foton adalah termasuk keluarga boson. Teori fisika partikel dari elektromagnetik meliputi prediksi-prediksi persamaan Maxwell serta efek kuantumnya (teori elektromagnetik kuantum). Foton adalah sebuah kuantum dari gaya elektromagnetik dan sebagai mediator/perantara pertukaran partikel. Sebuah elektron m asuk daerah interaksi mengemisikan sebuah foton dan foton kemudian merambat ke elektron yang lain,
mengkomunikasikan gaya elektromagnetik, kemudian lenyap. Melalui pertukaran ini (foton bertransmisi), foton memediasi sebuah gaya dan menyampaikan informasi dari satu tempat ke tempat yang lain. Foton adalah contoh pertama kali yang Keberadan foton sebagai boson gauge mendorong P. Dirac, R. Feynman dan J. Schwinger serta S.I. Tomonaga3 yang bekerja secara bebas telah mengembangkan teori mekanika quantum dari foton dan melahirkan sebuah teori elektrodinamika kuantum (QED = Qantum Electrodynamics). Teori ini meliputi semua prediksi dari teori elektromagnetik klasik serta kontribusi partikel (kuantum) terhadap proses fisika, yakni interaksi yang dihasilkan oleh pertukaran partikelpartikel kuantum. QED menjelaskan bagaimana pertukaran foton menghasilkan gaya elektromagnetik, dua elektron masuk daerah interaksi yang kemudian terjadi pertukaran se buah foton. Kemudian dua elektron muncul dengan lintasan resultannya (sebagai contoh, kecepatan dan arah gerak) dipengaruhi oleh gaya elektromagnetik yang dikomunikasikan. Tidak semua proses QED meliputi foton yang kemudian lenyap (sebagaipartikel internal) ada juga sebuah proses riil yaitu melibatkan foton eksternal, partikel yang masuk atau meninggalkan suatu daerah interaksi. Partikel-partikel seperti ini seringkali dibelokan dan pula dapat berubah menjadi partikel lain. Partikel-partikel yang masuk atau meninggalkan suatu daerah interaksi merupakan partikel-partikel fisis riil.diketahui sebagai boson gauge, partikel elementer yang akan merespon untuk mengkomunikasikan gaya tertentu. Karena tidak bermassa, jangkauan potensial elektromagnetiknya tidak berhingga, atau dapat dikatakan besar energi potensial berbanding terbalik dengan jarak, persamaan (2.9). Contoh lain boson gauge adalah boson lemah (weak boson) dan gluon, masing-masing mengkomunikasikan gaya lemah dan gaya kuat. Meson didefinisikan sebagai partikel yang dipengaruhi interaksi kuat dan mempunyai nilai bilangan barion 0, meson termasuk keluarga boson yang mempunyai spin bulat. Meson adalah partikel boson yang terdiri dari quark dan antiquark. 3.
4 Interaksi Pokok
Berikut ini adalah empat jenis interaksi antara partikel elementer dapat menerangkan proses yang dikenal dalam alam semesta dalam segala skala san ukuran :
Interaksi
Partikel yang Dipengaruhi
Jangkauan
Kekuatan
Pertukaran
Relatif
Partikel
Aturan Universum quark mengikat
Quark
~10-15 m
1
Gluon
menjadi bentuk nukleon
Kuat Hadron
meson
Nukleon mengikat menjadi bentuk inti
atomik Penentuan struktur atom, molekul, zat Elektromagnetik
Partikel muatan
∞
~10-2
Foton
padat dan zat cair: Adalah faktor yang penting dalam jagad raya Transformasi menengah dari
Lemah
quark dan lepton
~10-17 m
~10-5
Boson madya
Quark dan lepton: menolong dalam menentukan komposisi inti atom Pertemuan materi
Gravitasional
Semua
∞
~10-39
Graviton
menjadi planet, bintang, dan galaksi
(Pustaka Fisika). Kiranya, kita akan bersepakat bahwa salah satu penemuan paling mengejutkan pada kurun abad ke-20 adalah mengenai betapa banyak partikel dasar yang menyusun alam semesta. Walaupun, konsep dasar yang digunakan oleh para ilmuwan tetap memakai kerangka yang telah terlebih dahulu diletakkan oleh ilmuwan Yunani kuno (ajaran atomisme), namun para ilmuwan abad 20 melangkah lebih jauh untuk mengeksplorasi apa yang terjadi di dalam materi pada tingkat sub atomik. Bahkan, para ilmuwan fisika kuantum memperkirakan bahwa terdapat 18 jenis partikel elementer penyusun atom. Inilah tujuan selanjutnya para ilmuwan fisika berusaha menjelaskan eksistensi dan sifat partikel-partikel tersebut. Model Standar Fisika Partikel
Inti dari fisika modern adalah mengenai perumusan model standar yang digunakan untuk menggambarkan “perilaku” partikel. Melalui model ini, tiga dari empat gaya mendasar dalam fisika dijelaskan, bersamaan juga dengan partikel-partikel yang menjadi penguhubung dari gayagaya ini yakni partikel boson.
Gambar: model standar partikel Terdapat kendala, dimana gravitasi belum masuk ke dalam model standar ini, meskipun para ilmuwan saat ini bekerja untuk memperluas model tersebut agar dapat menyertakan teori kuantum gravitasi. Pengelompokan Partikel Lebih lanjut, para ilmuwan membagi partikel-partikel tersebut menjadi beberapa kelompok, misalnya:
1. 2.
3. 4. 5. 6. 7.
Kelompok Partikel Dasar: Penyusun terkecil dari materi dan energi, partikel paling mendasar yang tidak berasal dari kombinasi partikel lainnya. Partikel dalam kelompok ini diantaranya: Fermion: Partikel yang memiliki spin dengan nilai setengah bilangan bulat (-½, ½, 3/2, dll). Quark: Sejenis fermion, partikel ini yang membentuk hadron, seperti proton dan neutron. Terdapat 6 jenis quark yang berhasil diungkap, antara lain: Up Quark, Charm Quark, Top Quark, Down Quark, Strange Quark, dan Bottom Quark. Lepton: Termasuk dalam kelas fermion. Terdapat 6 jenis lepton, antara lain: Elektron, ElektronNeutrino, Muon, Muon-Neutrino, Tau, Tau-Neutrino. Boson: Partikel yang memiliki spin sama dengan bilangan bulat (1, 2, dan 3, dll). Partikel ini bertugas untuk menghubungkan gaya-gaya mendasar fisika dalam teori kuantum. Foton W Boson Z Boson
8. Gluon 9. Higgs Boson: partikel ini belum berhasi dideteksi secara eksperimental 10. Graviton: Dipredikasi sebagai bagian gravitasi kuantum, tapi bukan bagian dari model standar. Partikel Komposit Yang termasuk dalam kelompok ini, antara lain: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Hadrons: Partikel terdiri dari beberapa quark yang terikat bersama-sama. Baryon (fermion) Nukleon: proton dan neutron Hyperons Meson (boson) Nuclei atom; partikel proton-neutron yang bersama membentuk inti Atom: terdiri dari elektron, proton, dan neutron Molekul: Struktur kompleks terdiri dari atom yang terikat secara bersama-sama.
Daftar Pustaka
Anonim. 2010. Chapter II. Online. (ChapterII.pdf). diakses 19 Mei 2014 Anonim. 2010. Partikel Penyusun Materi dan Gaya. Online. (Bab_2_Partikel_penyusun_materi_dan_gaya.pdf). Diakses 19 Mei 2014 Beiser, Arthur. 1987. Konsep Fisika Modern (Edisi Keempat). Erlangga: Jakarta Mulyono, Agus. 2011. Partikel Elementer dan Interaksi Alamiah. Online.(Partikel-Elementer-danInteraksi-Alamiah_2.pdf). Diakses 19 Mei 2014
Savin, William dan Ronald Gautreau. 1987. Fisika Modern. Erlangga: Jakarta
Gambar 1 Karakteristik dan pengklasifikasi partikel elementer Sumber: http://www.fisikanet.lipi.go.id Sumber : Anonim. 2011. Interaksi Fundamental dan Partikel Elementer. http://www.forumsains.com/artikel/110/?print. Diakses pada tanggal 18 Mei 2014. Rahmawati, Dina. 2010. Partikel Elementer. http://www.fisikanet.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1275348660. Diakses pada tanggal 18 Me i 2014.
