Atom bukan partikel terkecil

Sudah sejak lama manusia bertanya-tanya: terbuat dari apa alam ini? Mengapa begitu banyak benda di alam ini, akan tetapi banyak yang memiliki sifat-sifat yang serupa?

Manusia kemudian menyadari bahwa benda-benda di alam tersusun dari beberapa unsur  dasar atau fundamental. Dikatakan fundamental karena unsur penyusun benda-benda tersebut bersifat sederhana dan tidak tersusun dari unsur yang lebih kecil lagi.

Orang Babylonia pada abad ke-18 SM menyatakan bahwa unsur-unsur dasar tersebut adalah: laut, tanah, api, langit dan angin. Orang Cina zaman kuno mengatakan bahwa alam ini tersusun atas lima unsur, yaitu: kayu (mu, 木), api (huǒ, 火), tanah (tǔ, 土), emas atau logam (jīn, 金) dan air (shuǐ, 水). Demikian pula orang India kuno menyebutkan bahwa alam ini tersusun dari lima unsur, yaitu: tanah (bhūmi,भूमि), air (ap,अाप), api (agni, अग्नि), udara atau angin (marut, मरुत), dan ether (akasha, आकाश). Empedocles, seorang filsuf Yunani abad ke-5 SM, menyatakan bahwa alam ini tersusun atas empat unsur yaitu: api, udara, air dan tanah. Namun demikian, Democritus, seorang filsuf Yunani abad ke-5 SM juga, mengeluarkan spekulasi bahwa alam terdiri dari unsur yang tak dapat dibagi-bagi yang disebut dengan atom (atomos, ἄτομος).

Saat ini kita mengetahui bahwa atom lebih fundamental daripada udara, api, angin ataupun tanah. Akan tetapi pengetahuan kita tentang atom sangat jauh berbeda dengan yang disampaikan oleh Democritus. Bahkan saat ini telah diketahui pula bahwa atom bukanlah unsur fundamental. Atom yang menyusun tubuh kita, yang membentuk lautan, yang menyusun gunung, ternyata terdiri dari unsur-unsur yang lebih kecil lagi, yang disebut dengan partikel dasar atau partikel elementer. Dengan demikian bisa dikatakan semua benda yang berada di alam ini tersusun dari partikel-partikel elementer.

Pengembaraan kita di dunia nuklir akan kita mulai dari partikel elementer dan berkembang ke struktur yang lebih besar. Meskipun demikian, tidak semua partikel yang ada akan terkait dengan bidang ketekniknukliran, hanya beberapa saja.

Menurut para ilmuwan, semua materi di alam semesta ini tersusun atas 12 partikel elementer yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Partikel-partikel tersebut dianggap tidak mempunyai struktur lagi, sehingga dianggap berbentuk seperti titik. Keduabelas partikel elementer tersebut dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 1 di bawah ini.

Gambar 1. Ilustrasi pengelompokan partikel elementer.

Ada dua keluarga partikel elementer tersebut, yaitu keluarga lepton dan keluarga quark. Masing-masing keluarga memiliki 6 anggota. Sebagian besar materi di bumi tersusun atas dua jenis quark, yaitu up dan down, serta satu jenis lepton, yaitu elektron. Quark up dan quark down akan menyusun proton dan neutron di dalam inti atom, dan  elektron akan mengorbit di sekitar inti atom. Partikel-partikel elementer yang lain biasanya ditemukan di lingkungan yang berenergi tinggi, tidak di kehidupan kita sehari-hari.

Data singkat mengenai anggota keluarga lepton dapat kita lihat di Tabel 1. Pada tabel tersebut tampak bahwa lepton juga dibedakan menjadi 3 jenis (kalau istilah fisikanya adalah 3 generasi) yang masing-masing beranggotakan dua partikel. Selanjutnya dapat dilihat pula bahwa partikel keluarga lepton mempunyai muatan listrik yang negatif (untuk elektron, muon dan tau) atau netral (untuk setiap neutrino). Massa partikel dalam hal ini dinyatakan dalam satuan energi. Massa dalam dunia subatom dapat dikonversi menjadi energi, dan saya yakin pembaca sudah mengenal rumusan Einstein yang terkenal

artinya jika kita mengalikan massa partikel dengan bilangan konstan , kita akan mendapatkan energi yang dikandung oleh massa partikel tersebut dan besarnya dicantumkan di Tabel 1.

Kolom  terakhir pada Tabel 1 menampilkan data tentang antipartikel. Setiap partikel selalu  mempunyai antipartikel. Jika partikel bertemu dengan antipartikel, akan terjadi anihilasi. Artinya kedua partikel tadi akan hilang dan berubah menjadi energi. Antipartikel dari elektron disebut dengan positron. Massa positron sama dengan massa elektron, akan tetapi muatan listriknya berlawanan, yaitu positif. Demikian pula untuk neutrino elektron dijumpai pula antipartikelnya yaitu antineutrino elektron (kita sudah menjumpai antineutrino elektron ini di artikel sebelumnya, yaitu di pembahasan mengenai reaksi fisi). Loh, bukannya neutrino itu netral alias tidak bermuatan listrik, mengapa ada antineutrino? Penjelasannya tidak sederhana dalam hal ini karena perlu keterangan lanjut mengenai teori kuantum. Untuk pembahasan kita, cukup diterima saja apa adanya bahwa partikel mempunyai pasangan antipartikel yang sesuai.

Satu hal lagi yang perlu diperhatikan bahwa partikel-partikel yang tergolong dalam keluarga lepton selalu berdiri sendiri atau tidak berpasangan dengan partikel lain.

Tabel 1. Data partikel keluarga lepton

Keluarga kedua dari partikel elementer adalah quark yang terdiri dari 6 anggota (atau kalau dalam istilah fisika dikenal dengan “rasa”), yaitu up, down, strange, charm, bottomdan top. Tabel 2 di bawah menampilkan informasi singkat mengenai quark.

Tabel 2. Data partikel keluarga quark

Tampak bahwa quark memiliki muatan listrik yang bernilai pecahan, yaitu 1/3 atau 2/3. Quark rasa down, strange dan top mempunyai muatan sebesar -1/3, dan quark rasa up, charm dan top mempunyai muatan sebesar 2/3. Masing-masing quark mempunyai pasangan antipartikel, yaitu antiquark, yang muatan listriknya berlawanan tandanya dengan quark bersangkutan. Misalnya antidown (antipartikel dari quark down) punya muatan 1/3, dan anticharm (antipartikel dari quark charm) punya muatan listrik -2/3.

Selain muatan listrik, quark juga mempunyai sifat intrinsik lain, yang disebut dengan muatan “warna”. Perlu diperhatikan, warna di sini bukanlah warna seperti yang kita ketahui, tapi hanya sekedar penamaan saja. Muatan warna ini ada tiga, yaitu merah, biru dan hijau. Setiap quark memiliki satu warna, misal quark down merah. Setiap antiquark juga memiliki satu antiwarna, misal antiquark antidown antimerah.

Berbeda dengan partikel keluarga lepton, partikel quark akan selalu berpasangan dan membentuk partikel komposit. Ada dua jenis partikel komposit ini yaitu yang tergolong ke dalam baryon dan tersusun atas tiga buah quark, dan yang tergolong ke dalam mesondan tersusun atas dua buah quark (atau tepatnya pasangan quark dan antiquark). Tabel 3 di bawah menampilkan beberapa partikel komposit. Partikel komposit sebenarnya yang telah diketahui sampai dengan saat ini jumlahnya banyak.

Tabel 3. Data beberapa partikel komposit.

Sebagai contoh, dari tabel di atas, proton yang merupakan baryon  merupakan gabungan dari tiga buah quark yaitu up-up-down, neutron yang juga baryon merupakan gabungan dari quark down-down-up.  Sementara itu untuk partikel pion positif yang termasuk dalam meson, merupakan gabungan dari quark up dan antiquark down.

Sejenak mari kita lihat proton yang tersusun atas quark up-up-down. Quark upmempunyai muatan 2/3 dan quark down bermuatan -1/3. Oleh karena itu muatan listrik proton menjadi 2/3 + 2/3 + (-1/3) = 1.  Kalau neutron bagaimana? Neutron terdiri dari quark down-down-up, jadi muatan listrik neutron menjadi (-1/3) + (-1/3) + 2/3 = 0 alias netral.

Lalu bagaimana dengan massanya? Massa quark up adalah antara 1,5 sampai 4,5 MeV. Misal kita ambil nilai atasnya saja yaitu 4,5 MeV. Lalu massa quark down adalah 8,5 MeV (kita ambil nilai atasnya juga). Jadi massa tiga quark up-up-down = 4,5 + 4,5 + 8,5 = 17,5 MeV. Tapi Tabel 3 menampilkan massa proton sebesar 938,3 MeV ????? Mengapa perbedaan massa yang besar??? Karena sesama quark di dalam proton akan terjadi interaksi yang melibatkan  partikel yang disebut gluon, yang meskipun tidak mempunyai massa tetapi mempunyai energi yang tinggi, sehingga menambah massa proton. Aneh??? Welcome to the world of particles !!!

Kalau tadi disebut partikel gluon, lalu apa sebenarnya partikel tersebut? Katanya materi di alam ini  hanya tersusun dari 12 partikel elementer saja?  Selain materi, di alam ini juga ada gaya atau force, yaitu suatu pengaruh yang menyebabkan suatu obyek atau benda akan mengalami perubahan, entah itu perubahan bentuk, arah, kecepatan, dan sebagainya. Ada banyak gaya yang ada di alam ini, akan tetapi kesemuanya itu berasal dari gaya-gaya fundamental. Ada empat gaya fundamental, yaitu gaya gravitasi, gaya lemah, gaya elektromagnet dan gaya kuat.

Gaya gravitasi selalu kita rasakan. Andaikata tidak ada gravitasi  kita tidak akan bisa berdiri, berjalan, duduk, dan beraktivitas di muka bumi ini. Juga kita tidak akan melihat bagaimana indahnya bulan purnama, karena bulan akan pergi bergentayangan dan tidak mengorbit bumi.  Gaya elektromagnet juga sudah biasa kita rasakan. Adanya tarik-menarik pada benda bermagnet, kompas yang dapat menunjukkan arah utara-selatan, nyala lampu listrik yang kita nikmati setiap malam, bahkan indahnya bulan purnama pun bisa kita nikmati karena adanya gelombang elektromagnetik yang mengenai sel-sel di mata kita.  Gaya lemah dan gaya kuat sangat terkait dengan fenomena yang ada di atom dan inti atom, sehingga jarang (atau tidak secara langsung) kita rasakan.

Dari sisi kekuatan dan jangkauan gaya tersebut, bisa kita katakan bahwa gaya gravitasi merupakan  gaya yang paling lemah akan tetapi jangkauannya panjang sekali. Sebaliknya gaya kuat merupakan gaya yang paling besar akan tetapi jangkauannya paling pendek.

Dari sudut pandang partikel, gaya merupakan cara partikel-partikel elementer untuk berinteraksi dengan sesamanya. Ketika berinteraksi, partikel elementer tersebut saling menukarkan partikel sehingga dihasilkan gaya. Artinya ketika partikel elementer berinteraksi dengan menukarkan partikel yang membawa gaya elektromagnet, maka akan muncul gaya elektromagnet. Demikian pula jika partikel menukarkan partikel yang membawa gaya kuat, maka akan muncul gaya kuat.

Analogi dari partikel pembawa gaya ini mungkin dapat diilustrasikan seperti di bawah ini. Ada dua orang yang berdiri di kolam es. Satu orang menjulurkan tangannya dan akan terdorong ke belakang, orang yang satunya lagi akan mengambil benda yang tidak kelihatan dan juga terdorong ke belakang. Meskipun kita tidak melihat adanya bola, kita dapat menganggap orang tersebut melempar bola ke orang yang lain karena kita melihat pengaruhnya terhadap orang tersebut. (klik di gambar bola di bawah untuk menampilkan bola di animasi tersebut).

Tabel 4 di bawah ini menampilkan partikel-partikel yang membawa gaya. (Data partikel pembawa gaya)

Tabel tersebut diurutkan berdasarkan kekuatannya. Tampak bahwa gaya gravitasi akan dibawa oleh partikel yang disebut graviton. Akan tetapi sampai saat ini partikel tersebut belum dapat diamati secara pasti. Kemudian juga ada tiga partikel yang membawa gaya lemah, yaitu partikel W plus, W minus dan Z. Kemudian partikel yang sering kita jumpai adalah foton, dan ternyata foton ini merupakan partikel pembawa gaya elektromagnet. Yang terakhir, partikel pembawa gaya kuat adalah gluon, seperti yang telah disinggung di atas. Ada 8 jenis gluon dan masing-masing gluon membawa muatan “warna”, meskipun muatan listriknya netral.

Kita akan menjumpai lagi gaya-gaya ini nanti ketika kita membahas tentang struktur inti atom dan radioaktivitas.

Jadi sampai pada taraf pengetahuan saat ini, para ilmuwan mengatakan bahwa materi di alam ini tersusun atas 12 partikel elementer dan partikel-partikel pembawa gaya. Sebenarnya masih ada lagi partikel elementer yang sifatnya masih hipotetis, masih diduga ada, akan tetapi belum ditemukan, yaitu partikel Higgs boson. Partikel ini nanti yang akan dapat menjelaskan mengapa elektron dan quark mempunyai massa. Lalu apakah mungkin lepton dan quark ternyata masih tersusun atas bagian-bagian lain yang “lebih elementer”?  Mari kita tunggu saja perkembangan ilmu pengetahuan untuk menjawab pertanyaan tersebut.

==========================================================

Partikel Higgs sudah ditemukan. Pertama kali diumumkan di CERN pada tanggal 4 Juli 2012 dan dikonfirmasikan keberadaannya pada Maret 2013.

sumber