Dalam artikelnya, “The Hunt for God Particle,” Michael Moyer meramalkan dalam majalah Popular Science (November 2001 halaman 54-58) bahwa fisikawan mana pun yang menemukan “partikel Allah” akan mendapat Hadiah Nobel. Istilah mengejutkan ini berasal dari Leon Lederman, seorang fisikawan AS berdarah Yahudi, pemenang Hadiah Nobel dalam Ilmu Fisika pada tahun 1988.
Leon Lederman
“Partikel Allah”
Apa itu “partikel Allah”? Bagaimana ia diketahui? Mengapa ia dicari?
Partikel ini adalah sebuah partikel elementer yang sulit dideteksi. Demikian kecilnya dan demikian samar-samarnya partikel ini sehingga hampir tidak ada siapa pun di luar dunia ilmu fisika yang pernah mendengar tentangnya. Karena sifatnya yang misterius, partikel ini secara praktis dianggap bersifat ilahi. Itulah sebabnya Lederman menjulukinya “partikel Allah.” Dalam ilmu fisika, ia disebut boson Higgs.
Meskipun sudah diketahui secara teoritis, boson Higgs belum ditemukan melalui eksperimen-eksperimen. Karena itu, para fisikawan di Amerika Serikat dan Eropa tengah berlomba-lomba untuk mengadakan “perburuan” terhadap partikel sangat kecil ini.
Untuk membuktikan keberadaan boson Higgs, mereka harus memotong-motong atau mencincang materi menjadi bagian-bagiannya yang paling mendasar. Mesin yang mereka pakai untuk menghancurkan materi sampai menjadi sangat kecil disebut akselerator partikel. Di AS, mesin ini dibangun di bawah Dataran Negara Bagian Illinois dalam bentuk laboratorium dan disebut Laboratorium Akselerator Nasional Fermi, disingkat Fermi Lab, dan terletak di Batavia, Illinois. Laboratorium ini memiliki kampus seluas sekitar 2.750 hektar. Akselerator ini mengandalkan 1.000 magnet superkondukting raksasa, 700 ilmuwan dan insinyur, dan beroperasi 24 jam sehari selama 7 hari dalam sepekan. Kembarnya di Eropa dibangun di bawah pengunungan Alpen di Swis, sedikit di luar kota Jenewa. Mesin akselerator ini terkenal dengan singkatan CERN milik Organisasi Eropa untuk Riset Nuklir. Ada 56 negara yang terlibat dalam riset partikel-partikel elementer di Fermi Lab dan CERN.
Akselerator Partikel
Lingkaran yang besar itu menandakan lokasi Large Hadron Collider (LHC), sejenis mesin penabrak partikel-partikel, pada laboratorium ilmu fisika partikel Eropa di CERN di perbatasan Perancis dan Swis. Terowongan tempat partikel-partikel diakselerasi terletak 100m di bawah tanah dan kelilingnya 27 km. Lingkaran yang lebih kecil itu adalah tempat mesin penabrak yang lebih kecil untuk proton-antiproton.
Untuk menemukan boson Higgs, mesin-mesin akselerator di AS dan Eropa memanfaatkan terowongan-terowongan bawah tanah yang bersifat lingkaran. Di dalamnya, seberkas proton dan seberkas antiproton bergerak secepat-cepatnya – bisa mencapai 99.99999 persen kecepatan cahaya – dari arah yang berlawanan. Proton dan antiproton itu bergerak dalam lingkaran di dalam sebuah tabung yang lebarnya beberapa inci. Begitu berkas-berkas proton dan antiproton melaju, partikel-partikel elementer ini diarahkan pada tabrakan “muka-lawan-muka” yang keras. Ketika proton menghantam antiproton, kedua-duanya saling memusnahkan dalam ledakan energi murni. “Puing-puing” yang timbul sebagai akibat tabrakan itu sering mencakup partikel-partikel baru – salah satu di antaranya bisa jadi adalah boson Higgs.
Statistik tentang partikel-partikel elementer sangat mencengangkan. Ia menyangkut frekuensi tabrakan per detik, probabilitas untuk menemukan boson Higgs, dan jumlah yang fantastik. Berapa banyak tabrakan antara proton dan antiproton yang terjadi setiap detik? Pada Fermi Lab, 2,5 juta kali per detik! Lalu, berapa besar peluang untuk menemukan boson Higgs melalui tabrakan-tabarakan ini? Hanya satu dalam miliaran tabrakan! Kemudian, berapa jumlah proton yang dibutuhkan untuk membuat sebuah antiproton tunggal? Lima puluh ribu! Akhirnya, berapa jumlah tahun yang dibutuhkan Fermi Lab untuk menghasilkan satu ons antiproton? Dua puluh miliar tahun!
Mengapa boson Higgs dicari? Kalau partikel elementer ini memang ada (masih ada kesangsian tentang keberadaannya), dan kalau ia bisa diidentifikasi, para ilmuwan akan memperoleh jawaban atas dua pertanyaan. Pertama, mengapa benda-benda punya bobot? Menurut mereka, benda-benda punya bobot karena berisi boson Higgs. Kedua, apa jadinya kalau boson Higgs ditemukan? Penemuan ini akan mengguncangkan seluruh landasan ilmu fisika karena membawa bersamanya berita tentang partikel-partikel yang belum pernah dibayangkan siapa pun. Ini juga akan menyingkapkan forsa-forsa yang melawan semua hukum fisikal yang diketahui. Bahkan banyak peneliti percaya “sebuah ilmu fisika yang baru” bisa diraih, dan mereka berharap “partikel Allah” ini akan menjadi penuntunnya.
ABC Ilmu Fisika Partikel
Ilmu fisika partikel adalah suatu studi tentang apa yang membentuk segala sesuatu – benda padat, cairan, gas. Ia meneliti partikel-partikel fundamental yang membentuk semua materi, dan bagaimana materi itu saling berinteraksi. Segala sesuatu keliling kita dibentuk oleh blok-blok bangunan dasar dari alam: batu, bintang, bulan, planet, galaksi, cangkir kopi, air di darat dan di laut, udara, gas untuk memasak, bunga mawar, anjing herder dan ikan hiu, kakek saya yang sudah lama meninggal, nenek Anda yang mungkin masih hidup, dan lain-lain.
Apa blok-blok bangunan itu? Atom? Kuark? Bran?
Atom: elektron, proton, dan neutron
Selama sekitar 100 tahun terakhir, para fisikawan berupaya mengklasifikasi alam semesta fisikal. Pertama, mereka menetapkan bahwa atom adalah blok bangunan segala sesuatu keliling kita. Kemudian, mereka membelah atom menjadi bagian dan potongan yang lebih kecil. Mula-mula J.J. Thompson dari Inggris menemukan elektron di akhir abad ke-19; beberapa dasawarsa kemudian (dalam abad ke-20), proton dan neutron yang membentuk inti atom ditemukan. Ketiga partikel ini bergabung bersama-sama dalam berbagai kombinasi untuk membentuk 118 unsur dalam tabel periodik.
Partikel-partikel subatomik baru
Tapi ketika dilihat lebih dekat, para fisikawan menemukan suatu susunan yang lebih ruwet dari pada yang bisa diciptakan oleh proton, neutron, dan elektron sendiri. Segera mereka menemukan partikel-partikel baru. Muon, misalnya, berkaitan dengan elektron sementara kuark yang ditemukan kemudian adalah unsur pokok dari proton dan neutron.
Ketika dilihat makin dekat lagi, para ilmuwan menemukan bahwa kuark bukan partikel yang lebih kecil dari pada proton dan neutron.Baik kuark maupun elektron merupakan kesatuan multi-dimensional dari apa yang disebut “bran (brane).” Beberapa di antara bran-bran ini menampakkan dirinya sebagai ikalan-ikalan yang sangat kecil dari “dawai (string).” Kemudian, elektron tergolong pada suatu keluarga partikel fundamental yang disebut “lepton.” Kuark dan lepton, bersama dengan forsa yang memungkinkan mereka berinteraksi diatur dalam suatu teori bernama “Model Standar.”
Model Standar
Model Standar yang disusun para fisikawan itu masih berlaku sampai sekarang. Model ini mendaftarkan semua forsa fundamental dari alam semesta dan memerikan hukum-hukum yang mengendalikan interaksinya. Ini mencakup cara partikel-partikel elementer berinteraksi bersama keempat forsa fundamental yang sudah disebutkan dalam tulisan terdahulu. Model Standar adalah puncak dari upaya selama 100 tahun oleh ribuan otak paling pandai sedunia. Teori ini mengurangi blok-blok bangunan fundamental alam semesta pada seperangkat aturan yang cukup mendasar dan bisa dimuat pada kaos dengan leher model T (T-shirt).
Selama seperempat abad terakhir, Fermi Lab dan CERN saling bersaing untuk menemukan lokasi partikel-partikel yang diramalkan Model Standar. Penemuan-penemuan terakhir mereka tampak dalam daftar berikut:
| Partikel Elemen- ter | Kuark Bawah | Boson W | Boson Z | Kuark Atas | Neu- trino Tau | Jumlah Total |
| Apa Cirinya | Bagian dari keluar- ga yang menca- kup blok bangun an pro- ton | Berpe- ran da- lam for- sa nuk- lir le- mah, ak tif di da lam in- ti atom | Bersa- ma de- ngan bo son W, parti- kel ini berpe- ran da- lam for- sa nuk- lir le- mah | Kuark yang di temu- kan ter- akhir, 175 ka- li lebih berat daripa- da sebuah proton | Yang tera- khir dari ti- ga neutri- no yang akan dite- mukan | FERMI LAB 3 |
| Ditemukan | 1977 | 1983 | 1983 | 1995 | 2000 | CERN |
| Pene-munya | FERMI LAB | CERN | CERN | FERMI LAB | FERMI LAB | 2 |
Antimateri
Jadi, apakah segala sesuatu di dunia dibuat dari kuark, lepton, boson, dan lain-lain? Kurang tepat. Ada juga antimateri.
Setiap partikel punya antipartikel sebagai pasangannya. Istilah “anti” mungkin sedikit menyesatkan karena antipartikel masih materi sejati. Tapi antipartikel punya muatan listrik yang berlawanan dengan muatan listrik partikel.
Pikirkanlah antipartikel sebagai suatu bayangan dalam cermin. Ketika kita bercermin, kiri dan kanan menjadi terbalik dalam cermin itu. Serupa dengan itu, muatan dalam dunia partikel adalah suatu keadaan terbalik ketika dilihat dalam “cermin". Massa, spin (perpusingan), dan kebanyakan sifat lainnya sama. Tapi kuark punya sesuatu yang disebut muatan berwarna; muatan ini diubah juga dalam “cermin".
Pada umumnya, suatu antipartikel adalah nama “partikel” dengan kata “anti” di depannya. Misalnya, antipartikel dari proton adalah antiproton, tapi anti partikel dari elektron adalah positron.
Seluruh alam semesta dibuat dari materi yang punya antimateri sebagai lawannya. Ini sesuatu yang agak berisi suatu misteri.
Ciri-Ciri Kuark
Ada enam macam kuark (dan karena itu enam macam antikuark). Keenam kuark ini dirangkai menjadi tiga pasangan. Dalam bahasa Inggris, tiga pasangan kuark ini disebut bersifat up-down, charm-strange, dan top-bottom; sifat terakhir kadang-kadang disebut truth-beauty.
Sebuah kuark tidak berdiri sendiri. Setiap kuark selalu diatur bersama kuark-kuark lain untuk membentuk sebuah partikel komposit, sebuah partikel campuran. Nama untuk partikel komposit ini adalah hadron.
Seperti proton dan elektron, kuark juga punya muatan listrik. Akan tetapi, muatan listriknya ditandai bilangan pecahan yang dalam bahasa Inggris disebut fractional charge: 2/3 atau –1/3 untuk kuark dan –2/3 dan 1/3 untuk antikuark. Selain itu, kuark selalu mengatur dirinya untuk membentuk partikel-partikel dengan suatu muatan yang ditandai bilangan bulat. Muatan yang ditandai bilangan bulat ini disebut integer charge dalam bahasa Inggris. Contohnya mencakup –1, 0, 1, dan 2.
Karena kuark-kuark saling bergabung untuk membentuk partikel-partikel bermuatan bilangan bulat., tidak setiap jenis gabungan kuark bisa dilakukan. Ada dua jenis dasar hadron. Pertama, baryon yang terdiri dari tiga kuark. Kedua, meson yang terdiri dari sebuah kuark dan antikuark. Meson adalah kombinasi dari partikel dan antipartikel, cenderung sangat tidak stabil, dan cepat sekali mereras. Dua contoh baryon adalah proton dan neutron; satu contoh meson adalah pion. Pion terdiri dari sebuah kuark up dan sebuah antikuark down.
Ciri-ciri Lepton
Seperti kuark, lepton terdiri dari enam jenis yang dikelompokkan menjadi tiga pasangan. Ketiga pasangan ini adalah elektron-neutrino, muon-neutrino, dan tau-neutrino. Ketiga jenis neutrino ini saling berbeda. Elektron, muon, dan tau masing-masing mengantar muatan negatif sementara ketiga neutrino tadi tanpa muatan. Berbeda dengan kuark, lepton berdiri sendiri, dan – seperti semua partikel lain – punya pasangan antipartikel.
Matahari
Matahari kita menghasilkan kebanyakan neutrino yang menembus Bumi. Reaksi nuklir yang membakar Matahari menghasilkan begitu banyak neutrino sehingga bagian kecil dari neutrino yang menghantam Bumi berjumlah 70 miliar neutrino per sentimeter persegi per detik .
Tau dan muon jauh lebih berat dari pada elektron. Meskipun demikian, tau dan muon tidak ditemukan dalam setiap materi yang kita temui setiap hari. Mengapa tidak? Tau dan muon mereras sangat cepat, biasanya menjadi lepton yang lebih ringan.
Model Standar Meramalkan Boson Higgs
Model Standar meramalkan bahwa harus ada sebuah boson Higgs. Tanpa partikel elementer ini, segala sesuatu di alam semesta akan tanpa bobot. Tidak akan ada bintang, planet, atau orang karena segala sesuatu beterbangan di alam semesta pada kecepatan cahaya.
Pada skala subatomik, para fisikawan mengatakan bahwa medan partikel boson Higgs mengerumuni beberapa partikel lebih banyak dari pada mengerumuni partikel-partikel lain. Misalnya, medan Higgs mengerumuni kuark paling banyak disusul elektron. Tapi medan Higgs sedikit sekali mengerumuni neutrino dan sama sekali tidak mengerumuni foton. Ini mengakibatkan kuark menjadi sangat berat, elektron agak berat, neutrino sangat ringan, dan foton tanpa massa dan karena itu tanpa bobot.
Menemukan boson Higgs menimbulkan masalah. Berbeda dengan partikel-partikel elementer lainnya, boson Higgs biasanya tidak muncul sebagai sebuah partikel yang jelas. Biasanya partikel subatomik ini berbentuk suatu medan ether, suatu uap yang tidak tampak yang menyebar dalam semua ruang. Sekarang saja, ada suatu medan Higgs di antara hidungmu dan artikel blog ini yang tengah Anda baca.
Implikasi dari Penemuan Boson Higgs
Apa jadinya kalau suatu waktu para ilmuwan di Fermi Lab atau CERN menemukan boson Higgs? Mereka berharap bahwa “partikel Allah” ini bisa menjelaskan lebih banyak daripada sekadar menjelaskan massa. Mereka berharap bahwa penemuan boson Higgs akan mengarah pada suatu landasan yang sama sekali baru bagi ilmu fisika abad ke-21. Beberapa petunjuk diperkirakan akan merupakan perluasan langsung dari Model Standar. Ilmuwan-ilmuwan lain memperkirakan adanya berbagai dimensi di samping tiga dimensi kita dan partikel-partikel baru lain yang ditemukan bersama dengan boson Higgs. Ada juga kemungkinan bahwa tidak satu pun dari para ilmuwan itu yang membayangkan apa jadinya ilmu fisika dalam 20 tahun mendatang.
