What is the World Made of?

Perkembangan Awal Teori Partikel

Saat ini, para peneliti di bidang fisika partikel tengah melakukan kerja keras untuk mencari jawaban dari pertanyaan “besar” ini. Jawaban pertama diperoleh dari konsep Anaximenes of Miletus, yang menyatakan bahwa semua benda di dunia ini terdiri dari empat elemen yaitu, air, api, udara dan tanah. 2500 tahun kemudian, orang-orang mulai mengenal Tabel Mendeleev yang setidaknya terdiri dari 100 elemen kimia di dalamnya. Pada dasarnya model Anaximenes secara konsep lebih ekonomis dan sangat umum. Akan tetapi konsep itu ternyata tidak benar! Data ilmiah menunjukkan tabel Mendeleev merupakan pilihan terbaik, sayangnya tabel tersebut masih terlalu kompleks untuk menjawab pertanyaan “besar” tadi. Susunan elemen yang tersusun sistematis pada tabel Mendeleev  memberikan petunjuk bahwa masih ada lagi sub-struktur yang lebih fundamental. Hingga saat ini kita mengetahui bahwa elemen-elemen tersebut tersusun dari struktur atomik yang disebut elektron dan inti atom.

Jawaban tentang teka-teki ilmiah ini di tengah diteliti melewati serangkaian eksperimen di bidang fisika atom, nuklir, sinar kosmik dan fisika energi-tinggi. Usaha telah dilakukan selama satu abad terakhir, akan tetapi serangkaian penemuan penting baru diperoleh beberapa dekade terakhir. Penemuan yang membawa kita pada ke dunia quark, lepton dan gauge boson.

Keteraturan pada tabel Mendeleev menjadi petunjuk lahirnya gagasan tentang adanya inti atom yang kemudian tersusun atas proton dan neutron, dimana kedua partikel tersebut terikat oleh interaksi kuat (strong interactions) atau gaya nuklir sehingga membentuk sebuah inti atom. Pada skala yang sedikit lebih besar, inti atom tersebut terikat dengan elektron oleh gaya elektromagnetik sehingga membentuk sebuah atom seperti pada unsur-unsur kimia. Pada waktu tertentu dapat terjadi perubahan dari neutron menjadi proton. Fenomena ini kemudian dijelaskan sebagai akibat dari aktifitas peluruhan sinar-Beta pada inti, dengan catatan adanya interaksi lemah (weak interactions) selama reaksi tersebut berlangsung.

Quark dan Lepton

Semakin berkembangnya teknologi, para ilmuwan menemukan bahwa neutron dan proton tidak “sendiri”. Kedua partikel tersebut ternyata masih dapat diuraikan menjadi partikel-partikel yang pada keadaan fermion yang berinteraksi kuat, sub-partikel ini disebut Baryon, tidak kurang 100 Baryon terdeteksi hingga saat ini. Jumlah yang hampir sama juga ditemukan pada partikel boson yang juga berinteraksi kuat, sub-partikel ini kemudian disebut meson. Semua sub-partikel yang terlibat pada interaksi kuat kemudian secara kolektif disebut sebagai “hadron”.

Keberadaan hadron yang terdiri dari baryon dan meson pada inti mendorong ilmuwan fisika partikel memperkenalkan model quark sebagai rangka dasar penyusun sub-partikel(baryon, meson) tersebut. Sementara di bagian luar inti yang lebih dominan diisi oleh elektron dan neutrino tidak mengalami interaksi kuat. Namun, keberadaan elektron dan neutrino ini berpengaruh pada intraksi lemah pada atom.  Mereka kemudian disatukan dalam grup partikel lain yang disebut Lepton. Karena lepton dapat ditinjau sebagai partikel-titik (point-like particle), maka dapat langsung disetarakan dengan orde quark. Dari pemaparan tersebut, sejauh ini kita bisa menyimpulkan bahwa quark dan lepton sebagai penyusun seluruh materi di alam semesta.

Penjelasan Teoritis

Pemodelan di atas membutuhkan penjelasan teoritis mengapa hal tersebut terjadi. Hingga persamaan Schrodinger lahir, ternyata belum mampu menjelaskan peristiwa peluruhan-neutron yang terjadi pada eksperimen sinar kosmik. Pada awal 1930an, teori quantum electrodynamic (QED) mencoba menjelaskan peristiwa tersebut, dengan asumsi bahwa interaksi elektromagnetik terkuantisasi dan tidak berubah jika ditransformasi secara relativistik. Teori QED kemudian semakin dikembangkan menjadi teori medan kuantum (quantum field theory) yang membahas interaksi partikel secara umum, termasuk interaksi lemah dan interaksi kuat.

Gagasan teori dan eksperimen di bidang fisika-partikel terus dilakukan. Untuk memperoleh pengetahuan yang semakin dalam tentang “what is the world made of?”. Pemahaman yang semakin mendalam tentang materi memungkinkan kita mengembangkan teknologi yang semakin maju di kemudian hari. Hal ini menjadi motivasi khusus bagi ilmuwan fisika di bidang nuklir dan partikel untuk menjawab pertanyaan “besar” tersebut.

Sumber Acuan : F. Halzen, A.D. Martin, Quarks and Leptons : An Introductory Course in Modern Particle Physics, Wiley, New York, 1984.

2 thoughts on “What is the World Made of?

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s