Partikel Elementer dan Interaksi Alamiah
By. Agus Mulyono Atom adalah partikel kecil dengan ukuran jari-jari 1 Amstrong. Atom bukanlah partikel elementer. John Dalton (1766-1844) pada tahun 1803 memberikan gambaran tentang atom dalam tiga hipotesis. 1) semua materi dibentuk partikel yang tidak bisa diurai lagi yang disebut atom, 2) atom-atom pada unsur tertentu memiliki karakter dan massa yang unik, dan 3) ada tiga tipe tipe atom : unsur molekul sederhana dan molekul komplek. Joseph Thomson (1856-1940) ilmuwan berkebangsaan inggris berhasil menguraikan partikel bebas dari atom dalam eksperimen sinar katoda pada tahun 1897. Fenomena ini membuktikan bahwa atom memiliki struktur internal bukan partikel titik. Partikel bebas bermuatan negatif yang ditemukan Thomson kemudian dinamakan elektron. Partikel inilah yang pertama ditemukan oleh manusia. Thomson mengajukan model, atom terdiri dari elektron dan partikel positif lainnya dengan jumlah yang sama dan terdistribusi merata, sehingga muatan totalnya adalah nol (netral). Ernest Rutherford (1871-1937) dengan eksperimen penghamburan partikel memperoleh kesimpulan bahwa ada partikel proton yang harus bermuatan positif untuk mengimbangi muatan negatif elektron, sehingga muatan total atom adalah netral. James Chadwick (1891-1974) pada tahun 1932 menemukan netron sebagai salah satu pembuat nukleus. Sehingga model atom digambarkan bahwa atom memiliko inti dengan elektron mengelilingi inti. Kemudian model seperti ini disempurnakan oleh Niels Bohr dengan mempertimbangkan efek kuantisasi energi atom. Proton dan Neutron dianggap merupakan partikel elementer namun eksperimen-eksperimen yang mlibatkan tumbukan antar proton atau proton dengan elektron dengan kecepatan tinggi menunjukkan bahwa partikel-partikel tersebut tersusun dari partikel-partikel yang lebih kecil. Partikel-partikel tersebut diberi nama quark oleh seorang fisikawan dari Institut Teknologi Kalifornia bernama Murray Gell-Mann yang memenangkan hadiah nobel pada tahun 1969. Dalam Al-Qur’an telah disebutkan tentang konsep atom dan konsep bahwa ada yang lebih kecil dari atom seperti disebutkan dalam Al-Qur’an surat An-Nisaa’ ayat 40:
Sesungguhnya Allah tidak menganiaya seseorang walaupun sebesar zarrah (atom) dan jika ada kebajikan sebesar zarrah (atom) niscaya Allah akan melipatgandakannya dan memberikan dari sisi-Nya pahala yang besar. Juga disebutkan dalam Al-Qur’an surat yunus ayat 61: Kamu tidak berada dalam suatu keadaan dan tidak membaca suatu ayat dari Al-Qur’an dan kamu tidak mengerjakan suatu pekerjaan, melainkan Kami menjadi saksi atasmu diwaktu kamu melakukannya. Tidak luput dari pengetahuan Tuhanmu biarpun sebesar zarrah (atom) di bumi ataupun di langit. Tidak ada yang lebih kecil dan tidak pila yang lebih besar dari itu. Melainkan semua tercatat dalam kitab yang nyata.
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 satu quark down, sedangkan netron tersusun dari dua quark down dan satu quark up. Kalau ternyata proton dan netron dapat dibagi menjadi partikel-partikel yang lebih elementer. maka partikel elementer apakah yang merupakan penyusun dasar semua benda disemesta? Oleh karenanya pencarian partikel elementer akan terus berlangsung.
Anti Partikel Anti partikel pertama kali muncul dalam solusi persamaan Dirac, persamaan yang mengawinkan teori relativitas khusus dengan mekanika kuantum. Dipostulatkan bahwa setiap partikel memiliki anti partikel, memiliki sifat yang sama kecuali muatannya berbeda. Misalnyapositron adalah anti partikel dari elektron, memiliki massa, ukuran, mematuhi semua hukum konservasi yang juga dipatuhi elektron, namun muatannya adalah positif. Apa yang terjadi apabila partikel bertemu dengan antipartikelnya? Hal ini yang kemudian disebut proses annihilation. Partikel + anti partikel Energi. Energi ini dibawa oleh partikel khusus (partikel ini adalah exchange particle untuk masing-masing interaksi), misalnya dalam elektron + positron photon ( disebut juga pair annihilation). Sesuai hukum kekekalan energi, maka photon
ini juga akan bisa menghasilkan elektron + Positron ( disebut pair production). Keberadaan anti partikel itu pertama kali dibuktikan oleh Carl Anderson pada tahun 1932 di Fermilab Chicago Amerika Serikat. Anderson menembakkan partikel bermuatan ke dalam buble chamber yang berisi superheated liquid dan diberi medan magnet, sehingga partikel tersebut akan meninggalkan jejak. Partikel dan antinya akan bergerak pada arah berlawanan.
Gaya atau Interaksi alamiah alam semesta Partikel pembawa gaya dapat dikelompokkan empat kategori menurut kekuatan gaya yang dibawanya dan interaksinya dengan partikel jenis tertentu. Empat interaksi tersebut adalah interaksi/gaya gravitasi (gravitational interaction), interaksi elektromagnetik (electromagnetic interaction), interaksi lemah (weak interaction), dan interaksi kuat (strong interaction). Setiap interaksi memiliki paertilkel pembawa interaksi khusus, yang hanya bisa bekerja spesifik pada interaksi tertentu. Yang pertama adalah interaksi gravitasi. Interaksi ini bersifat universal artinya bahwa setiap partikel merasakan gaya gravitasi yang besarnya bergantung pada massa atau energinya. Gravitasi merupakan yang terlemag dari keempat interaksi tersebut. Gravitasi dapat menjangkau jarak yang jauh dan selalu bersifat menarik. Interaksi gravitasi membuat benda jatuh ke tanah dan juga pergerakan planet dan galaksi. Semakin masif benda maka semakin besar merasakan interaksi gravitasi. Sebaliknya bertambah jauh jarak dua benda makin semakin berkurang interksi gravitasi yang bekerja. Oleh karenanya pada skala mikroskopis interaksi ini diabaikan. Interaksi ini dijelaskan oleh Teori Relativitas Umum Einstein. Partikel pembawa interaksi gravitasi adalah graviton. Kedua, disebut interaksi elektromagnetic yang berinteraksi dengan partikel-partikel bermuatan listrik seperti elektron, proton, quark, namun tidak berinteraksi dengan partikel-partikel tak bermuatan listrik seperti graviton dan netron. Interaksi ini jauh lebih kuat dari gaya gravitasi. Interaksi elektromagnetik menyebabkan semua fenomena menyangkut listrik dan magnetik. Interaksi elektromagnetik dijelaskan oleh quantum electrodynamics dimana Feynman, Schwinger dan Tomonaga mendapat hadiah nobel tahun 1965. Partikel pembawa interaksi elektromagnetik adalah foton. Ketiga, adalah Interaksi nuklir lemah yang dibutuhkan oleh radioaktivitas. Pada tahun 1967 Abdus Salam dan Steven Weinberg mengemukaan teori yang memadukan interaksi nuklir lemah
dan elektromagnetik memadukan kelistrikan dan kemagnetan . Beliau berpendapat bahwa selain foton, terdapat tiga partikel yang secara bersama-sama membawa gaya lemah (W+, W-, Z). Terakhir adalah Interaksi kuat, yang juga terjadi pada subatomik dan hanya dirasakan oleh Quark. Nobel Fisika 2004 adalah tema tersebut. Dimana terdapat temuan tentang gluon sebagai exchange particle dalam interaksi kuat. Temuan ini memulai sebuah teori baru dalam teori medan kuantum (Quantum Chromodynamic), teori khusus untuk mempelajari fenomena dalam interaksi kuat.
Grand Unified Theory Keberhasilan penggabungan interaksi/gaya nuklir lemah dan gaya elektromagnetik membangkitkan adanya usaha untuk menggabungkan kedua gaya tersebut dengan gaya nuklir kuat menjadi teori paduan agung (Grand Unified Theory/GUT). Ide dasar teori paduan agung adalah bahwa gaya nuklir kuat menjadi lebih lemah pada energi tinggi. Sebaliknya gaya nuklir lemah dan gaya lektromagnetik menjadi semakin kuat pada energi yang tinggi. Pada suatu energi sangat tinggi yang disebut energi paduan agung, ketiga gaya tersebut akan memiliki kekuatan yang sama dan karena itu dapat dipandang sebagai aspek yang berbeda dari sebuah gaya tunggal. Banyak versi tentang Grand Inified Theory, tetapi belum ada verifikasi final. Pembuktian kesahihan GUT antara lain berasal dari peluruhan proton yang meluruh dengan sendirinya atau secara spontan. GUT dianggap belum lengkap, karena hanya menggabungkan tiga interaksi dari empat interaksi yang ada di alam semesta. Oleh karenanya muncul kemudian ide untuk menggabungkan keempat interaksi alamiah tersebut yang kemudian disebut dengan Theory of Everything (TOE). Mengenal Ide Theory of Everything Theory of everything ditafsirkan dalam banyak versi diantaranya adalah supersimetri dan superstring/supertali. TOE mempunyai makna sebuah teori kemanunggalan agung yang menggabungkan semua teori yang ada menjadi hanya sebuah teori terpadu yang kemudian diekspresikan dalam bentuk persamaan. Ide superstring dicetuskan antara lain oleh John Schwarz dari Institut Teknologi Kalifornia dan Michael Green. Superstring adalah teori tentang semesta berdimensi sepuluh dimana penyusunan dasar materi dan energi bukanlah berupa titik melainkan tali-tali superkecil (string). Tali-tali tersebut apabila 1033 tali dijajarkan panjangnya kira-kira hanya satu meter. Untuk menguji
prakiraan eksperimental teori superstring, seseorang harus mampu melakukan proses matematika yang disebut dengan kompaktifikasi, yaitu proses mereduksi teori sepuluh dimensi menjadi dunia nyata empat dimensi (tiga dimensi ruang satu dimensi waktu). Untuk memastikan apakah teori superstring akan menjadi Theory of everything masih dibutuhkan waktu yang lama. Penelitian-penelitian terus dilakukan untuk kemudian menemukan Theory of everything.
