Home » Artikel

Perburuan Terakhir Model Standar

6 March 1995 153 views No Comment

PENGANTAR REDAKSI
TEMUAN bukti kehadiran partikel quark top pada bulan April tahun lalu di laboratorium pemercepat partikel Fermilab, Batavia, dekat Chicago (AS) yang kemudian dikonfirmasikan pada tanggal 2 Maret lalu (Kompas, 6/3/1995 dan 6/4/1995) sungguh melegakan. Temuan ini membenarkan ramalan teori elektro-lemah standar yang berhasil memadukan interaksi elektromagnet dan interaksi lemah sebagai dua sisi dari sebuah interaksi alam tunggal: elektro-lemah. Kini tersisa satu lagi ujian terakhir bagi teori ini, menemukan partikel Higgs yang diramalkannya. Melalui dua tulisan berikut, Dosen Jurusan Fisika ITB Hans J Wospakrik mengajak pembaca menapak-tilasi usaha para fisikawan merumuskan dan membuktikan kebenaran ramalan eksperimen teori ini.

DARI kedua interaksi alam ini — elektromagnet dan lemah — mungkin elektromagnet tidaklah asing bagi kita. Elektromagnet pada dasarnya merupakan paduan interaksi listrik dan magnet yang sepintas lalu tampak tak saling berkaitan. Interaksi listrik bekerja antara muatan listrik yang diam, sedangkan rekannya antara muatan yang bergerak.

TEORI elektromagnet merupakan karya fisikawan teori Skotlandia, James Clerk Maxwell (1831-1879), yang diumumkannya pada tahun 1865. Dengan itu, ia tunjukkan bahwa cahaya pada hakikatnya adalah gejala keelektromagnetan belaka. Juga ia ramalkan kehadiran gelombang radio, yang kini akrab dalam kehidupan sehari-hari kita.

Dari segi arsitektur bangunan zat, interaksi elektromagnetlah yang bertanggung jawab mengikatkan elektron-elektron pada inti atom dalam sebuah atom zat. Interaksi ini yang menyebabkan atom memancarkan cahaya tampak dengan beraneka macam warna (spektrum), ketika elektron tertarik mendekati inti atom.

Jangkauan interaksi elektromagnet tak terbatas, sedangkan interaksi lemah terbatasi sejauh jejari inti atom. Interaksi yang kedua ini disebut lemah karena pada jarak ini, kekuatannya memang sangat lemah, sekitar satu per seratus milyar kali interaksi elektromagnet. Walaupun demikian, pengaruhnya cukup mencolok: sebagai penyebab transmutasi sebuah inti atom bernomor atom rendah menjadi unsur baru bernomor atom tinggi, atau sebaliknya, seraya memancarkan sinar radioaktif beta.

Rumusan teori interaksi lemah pertama kali diajukan oleh fisikawan teori-eksperimen Italia, Enrico Fermi (1901-1954), pada tahun 1933. Interaksi ini bekerja antara partikel penyusun inti atom, yakni proton (bermuatan listrik positif) dan neutron (bermuatan netral), serta antara elektron (bermuatan negatif) dan neutrino (bermuatan netral). Dalam bahasa Italia, neutrino berarti “si netral kecil”, karena memang massa atau beratnya secara praktis adalah nol. Bila massa elektron diambil sebagai pembanding, berat proton dan neutron sekitar 2.000 kali berat elektron.

Pada peristiwa pemancaran sinar beta, yang terjadi adalah sebuah neutron berubah menjadi sebuah proton dengan memancarkan sinar beta yang terdiri atas elektron dan (anti)neutrino. Karena nomor atom mencatat jumlah proton dalam inti atom, dapatlah dipahami, perubahan nomor atom berkaitan dengan bertambah atau berkurangnya jumlah proton yang dikandung inti atom pemancar sinar beta.

Medan tera
Menurut teori medan kuantum, interaksi dua partikel berlangsung melalui pertukaran partikel perantara interaksinya. Ini seibarat dua anak kecil yang bermain riang dengan melempar-tangkapi sebuah bola. Semakin ringan bola, semakin jauh jarak lemparannya; sebaliknya, semakin berat bola, semakin pendek jarak lemparannya.

Untuk interaksi elektromagnet, partikel perantaranya disebut foton. Karena jangkauannya tak terbatas, maka sejalan dengan kias bola tadi, massa foton adalah nol. Sebaliknya, karena jangkauan interaksi lemah sangat pendek, maka massa partikel perantaranya sangat besar, sekitar 80 kali massa proton. Partikel perantara ini dinamai boson-vektor W (untuk weak: lemah). Gagasan partikel perantara W ini dikemukakan oleh fisikawan Swedia, Oscar Klein, pada tahun 1938.

Karena muatan listrik partikel yang berinteraksi secara elektromagnet tidak berubah, maka foton tak bermuatan listrik. Sebaliknya, pada pemancaran sinar beta, yang dikendalikan oleh interaksi lemah, inti atom berubah nomor atom, berubah muatan listrik. Ini berarti, partikel W bermuatan listrik positif maupun negatif, yang berturut-turut disebut W-plus, dan W-min.

Baik partikel W maupun foton, ketiga-tiganya tergolong keluarga partikel boson vektor. Karena foton secara tunggal terumuskan melalui teori elektromagnet Maxwell, direka bahwa partikel W pun demikian. Memadukan kedua partikel W ini ke dalam satu rumusan teori medan semirip elektromagnet ternyata tidaklah semudah yang diperkirakan.

Upaya ini barulah membuahkan hasil pada tahun 1954 lewat tangan fisikawan AS keturunan Cina, Chen Ning Yang (1922-…) beserta rekannya, Robert Mills. Dalam rumusan ini, partikel perantara B, semirip W, tersusun dalam suatu pernyataan matriks, yakni suatu susunan petak bilangan persegi. Untuk rumusan dengan matriks petak 2×2, medan boson vektornya paling sedikit berjumlah 3 buah: B-plus, B-min, dan B-netral. Teori ini kemudian dikenal sebagai teori medan Yang-Mills.

Baik teori medan elektromagnet maupun Yang-Mills, kedua-duanya memiliki sifat kesetangkupan tera (gauge symmetry) yang berarti, interaksi sistemnya tak-ubah terhadap alih-ragam tera (gauge transformation) medan foton, B, dan partikel yang berinteraksi. Ditilik dari sifat ini, kedua teori medan ini digolongkan dalam teori medan tera (gauge field theory). Kini dipahami, setiap interaksi alam diperantarai oleh suatu medan tera.

Kesetangkupan tera ini ternyata menuntut berlebihan: baik foton maupun semua partikel B haruslah tak bermassa. Mengecewakan, sebab partikel B diinginkan dapat pula bermassa.

Teori Glashow
Upaya memadukan interaksi elektromagnet dan lemah melalui gabungan teori medan elektromagnet dan Yang-Mills pertama kali secara berhasil dirumuskan oleh fisikawan teori AS, Sheldon Glashow (1932-…), pada tahun 1961. Dalam teorinya ini, Glashow sengaja melanggar kesetangkupan tera dengan memaksa foton dan ketiga partikel B medan Yang-Mills memiliki massa tak nol.

Selanjutnya, untuk mencirikan interaksi elektromagnet, ia padukan medan foton khayal bermassa dan komponen medan B netral tadi ke dalam suatu rumusan baru yang menghadirkan foton nyata bermassa nol, dan suatu medan atau partikel netral baru, yang diberi nama Z. Partikel Z ini ternyata sedikit lebih berat daripada kedua rekannya, B-plus dan B-min yang — diidentikkan dengan W-plus dan W-min — sekitar 90 kali massa proton. Kehadirannya memperantarai suatu jenis interaksi lemah baru yang tak mengubah muatan listrik disebut interaksi arus-netral.

Teori ini rupanya tak menarik perhatian karena interaksi arus- netral pada saat itu belum teramati. Selain itu, teorinya mengandung cacat tak ternormal-ulangkan (unrenormalizable). Ini berkaitan dengan bencana koreksi interaksi-diri (self-interaction), yang meramalkan nilai koreksi tak hingga. Suatu hasil yang tak masuk akal sebab, sebuah koreksi haruslah lebih kecil. Untuk teori yang ternormal-ulangkan, seperti elektromagnet, bencana ini teratasi dengan kiat penormal-ulangan (renormalization).

Cacat tak ternormal-ulangkan ini tampaknya berkaitan erat dengan rusaknya kesetangkupan tera yang dimiliki teori ini bila partikel W dan Z bermassa. Teori elektromagnet memiliki sifat kesetangkupan tera ini sebab foton tak bermassa.

Mekanisme Higgs
Jalan menuju rumusan teori medan tera bermassa tanpa merusaki sifat kesetangkupan tera akhirnya tersibak lewat karya fisikawan Skotlandia, Peter W Higgs, yang terbit tahun 1964. Dengan mengambil teori elektromagnet sebagai model, ia menguraikan cara memberikan massa pada foton dengan menggunakan kiat perusakan kesetangkupan spontan (spontaneously symmetry breakdown).

Keberhasilan ini ternyata menuntut suatu bayaran. Haruslah diterima kehadiran sebuah partikel boson skalar bermassa bermuatan netral. Inilah partikel Higgs yang menjadi topik tulisan ini. Cara pemberian massa pada teori medan tera tanpa merusaki kesetangkupan tera ini kemudian dibaptis dengan nama: mekanisme Higgs.

Dua tahun kemudian, fisikawan Inggris, Tom WB Kibble, menerapkan mekanisme ini pada teori medan Yang-Mills. Ini juga harus ia bayar dengan menghadirkan partikel Higgs.

Teori Weinberg-Salam
Teori perusakan kesetangkupan spontan memang pernah dikaji oleh dua fisikawan teori terkemuka saat itu, Steven Weinberg (1933-…) dari AS dan fisikawan Pakistan Abdus Salam (1926-…) di Inggris bersama Geoffrey Goldstone, juga dari AS. Namun, model yang dikaji itu — dikenal sebagai model Goldstone — tak diaduk bersama teori medan tera.

Hasil kajian mereka menunjukkan, model ini menghadirkan sejumlah partikel boson skalar tak bermassa. Karena semua partikel boson skalar diketahui bermassa, mereka mengumumkan bahwa: “Teori perusakan kesetangkupan spontan, tak relevan dalam dunia partikel elementer!” Maklumat ini mereka kemukakan pada tahun 1962.

Lima tahun kemudian, gagasan mekanisme Higgs menyadarkan Weinberg dan Salam untuk memungut kembali apa yang telah mereka lemparkan ke dalam keranjang sampah, untuk membumbui model elektro- lemah Glashow tanpa massa. Weinberg mengirimkan rumusannya ke jurnal fisika berwibawa AS, Physical Review Letters, pada bulan Oktober 1967. Sedangkan Salam, pada tahun yang sama, ketimbang langsung menerbitkan rumusannya, ia memilih menyajikannya dahulu dalam kuliah-kuliahnya di Imperial College, London. Penyajian resminya barulah ia sampaikan di Simposium Nobel pada bulan Mei 1968.

Teori elektro-lemah ini memang mirip teori Glashow. Kelebihannya adalah tak merusaki kesetangkupan tera. Tentu saja dengan bayaran: menghadirkan partikel Higgs. Teori inilah yang kemudian dikenal sebagai Model Standar.

Gerard ‘t Hooft
Apakah teori elektro-lemah Weinberg-Salam ternormal-ulangkan? Terhambat oleh kelangkaan perangkat matematika yang memadai, baik Weinberg maupun Salam tak memberi suatu jawaban pasti. Mereka malahan kemudian berpaling ke bidang kajian lain yang lebih meriah.

Upaya mengembangkan perangkat matematika memadai untuk menangani cacat tak ternormal-ulangkan teori medan Yang-Mills bermassa (tanpa mekanisme Higgs) ternyata diteliti secara serius oleh fisikawan teori Belanda, Martinus JG Veltman (1931-…) dari Universitas Utrecht. Penelitian yang mulai ia tekuni pada tahun 1967 ini memang berada di luar jalur sibuk penelitian fisika teori saat itu. Walaupun ia berhasil mengembangkan perangkat matematika yang diperlukan, cacat ini tetap tak dapat ia atasi.

Di awal tahun 1971, Veltman menantang muridnya, Gerard ‘t Hooft (baca: het Hooft) dengan masalah ini. Tantangan ini diterima ‘t Hooft, yang kemudian memilih medan Yang-Mills bermassa dengan mekanisme Higgs sebagai topik kajiannya. Dengan berbekal perangkat matematika yang dikembangkan Veltman, menjelang akhir tahun 1971, pada usia 25 tahun, masalah pelik ini dapat ia pecahkan. Sekaligus ia buktikan pula bahwa teori Weinberg-Salam ternormal-ulangkan.

Hasil penelitiannya ini kemudian diterbitkan dalam jurnal fisika berwibawa Eropa, Nuclear Physics B, tahun 1972 yang ternyata merangsang para fisikawan untuk membalik-balik kembali pustaka fisika guna mengenali hewan apa sebenarnya teori Weinberg-Salam itu? Yang tersaksikan kemudian sungguh luar biasa. Bagaikan sebuah waduk jebol, mengalirlah arus makalah yang luar biasa derasnya, mengkaji teori elektro-lemah Weinberg-Salam serta variasinya, dan teori medan tera pada umumnya secara gencar.

Tahun-tahun berikutnya merupakan tontonan prestasi fisika yang luar biasa mencengangkan. Dengan tuntunan model standar, kedalaman tambang struktur alam partikel elementer secara berangsur tersingkap. Satu per satu. Kandungannya tak ternilai. ***
—————–
MENUNGGU PARTIKEL HIGGS BEGITU
kerasnya gema karya pena ‘t Hooft, sampai-sampai para fisikawan eksperimen pun tergelitik untuk mengamati keberadaan interaksi arus-netral yang diramalkan teori Weinberg-Salam. Penelitian ke arah ini dilakukan oleh tim Gargamelle di laboratorium pemercepat partikel CERN, milik Masyarakat Eropa, di Geneva, Swiss.

PERCOBAAN itu dilakukan pada tahun 1973 dengan menembakkan berkas neutrino pada sebuah bejana buih (bubble chamber) istimewa berisi cairan propan lewat-didih. Amatan jejak buih lintasan elektron yang tertendang, sebagai akibat interaksi neutrino dengan elektron atom cairan bejana, ternyata sesuai dengan ramalan interaksi arus netral. Temuan ini dengan demikian menempatkan teori Weinberg-Salam sebagai suatu teori fisika yang benar-benar menerangkan perilaku alam.

Menengok sejenak ke sejarah perkembangan fisika, nilai temuan ini dapatlah disetarakan dengan temuan fisikawan eksperimen Jerman, Heinrich Hertz (1857-1894), pada tahun 1888 ketika ia berhasil mengamati gelombang radio yang diramalkan Maxwell berdasarkan teori eletromagnetnya.

Lepton, hadron, quark
Pada rumusan Weinberg, partikel berinteraksi yang ditinjau terbatas pada pasangan elektron dan neutrinonya. Sedangkan dalam rumusan Salam, ia sertakan pula pasangan partikel muon dan neutrinonya: neutrino-muon. Berat partikel muon yang ditemukan pada tahun 1947 sekitar 1/7 berat proton, sedangkan massa partikel neutrino-muon praktis nol. Neutrino-muon inilah yang digunakan pada percobaan tim Gargamelle. Elektron dan muon beserta pasangan neutrinonya ini dikelompokkan ke dalam kelas partikel lepton, yang berarti partikel lemah, karena lepton hanya merasakan interaksi elektro-lemah.

Proton dan neutron, penyusun inti atom, selain merasakan interaksi elektro-lemah, juga interaksi kuat yang berperan mengikat keduanya dalam inti atom. Disebut interaksi kuat karena, pada jarak jejari inti atom, kekuatannya sekitar 100 kali interaksi elektromagnet.

Menjelang akhir dasawarsa 50-an ditemukan lebih daripada 50 buah partikel yang juga berinteraksi melalui interaksi kuat. Semua partikel ini dikelompokkan ke dalam kelas partikel hadron yang berarti partikel kuat. Jumlah hadron yang demikian banyak itu menimbulkan kecurigaan bahwa hadron bukanlah partikel tersederhana.

Tahun 1961, fisikawan teori AS, Murray Gell-Mann (1929-…), memperlihatkan bahwa setiap partikel hadron memenuhi suatu aturan peng-kelas-an berdasarkan kesamaan sifat fisikanya yang ternyata pas dengan teori kesetangkupan matematika istimewa (teori grup), SU(3). Setelah menganalisis teorinya lebih mendalam, pada tahun 1964 ia simpulkan bahwa semua hadron dapatlah dipandang tersusun dari tiga buah partikel dasar tersederhana yang ia namai quark. Berbeda dengan elektron yang dapat bebas berkelana, quark terikat erat dalam hadron. Hadron sebenarnya masih dikelompokkan lagi atas dua subkelas: baryon dan meson. Menurut Gell-Mann, baryon tersusun atas tiga buah quark, sedangkan meson: dua buah.

Setiap quark memiliki sifat khas yang dibedakan dengan nama: u (up), d (down), dan s (strange). Nama-nama ini hanyalah label belaka, tak ada sangkut-pautnya dengan arti katanya. Karena setiap partikel hadron bermuatan listrik bulat, maka haruslah diterima bahwa setiap partikel quark bermuatan pecahan sepertiga. Quark u misalnya bermuatan (2/3), d (-1/3), dan s juga (-1/3). Selain itu, terdapat juga partikel anti-quark yang memiliki massa sama tetapi muatan berlawanan. Anti-u, misalnya, bermuatan (-2/3).

Proton dan neutron tergolong keluarga baryon. Berdasarkan teori Gell-Mann, kedua partikel ini hanya tersusun atas quark u dan d. Proton, karena bermuatan listrik +1, tersusun dari dua quark u, dan sebuah quark d; sedangkan neutron terdiri dari dua quark d dan sebuah quark u.

Karena neutron dan proton hampir sama beratnya, maka quark u dan d pun demikian. Tetapi, karena neutron sedikit lebih berat daripada proton, maka massa quark d lebih besar daripada u. Nah, inilah salah satu alasan dipilihnya label nama up (atas) dan down (bawah) bagi kedua quark ini, mengingat yang berat cenderung berada di bawah yang ringan. Taksiran massa quark u adalah sekitar 10 kali massa elektron.

Partikel hadron yang tersusun dari quark s, dikenal sebagai partikel strange, aneh. Disebut demikian, karena sifatnya yang mungkin aneh: penciptaannya melalui tumbukan hadron tak strange berenergi tinggi yang selalu hadir secara berpasangan. Selain itu, walaupun penciptaannnya berlangsung melalui interaksi kuat, peluruhannya malah berlangsung melalui interaksi lemah. Hadron strange umumnya lebih berat daripada proton. Karena itu, massa quark s juga lebih berat daripada quark u, yang ditaksir sekitar 25 kali.

Teori quark yang sama juga dikemukakan pada tahun yang sama secara terpisah oleh fisikawan teori AS, George Zweig (1937-…). Karena interaksi elektro-lemah juga berpengaruh pada hadron, para fisikawan merasa wajar untuk mengikutsertakan quark dalam teori elektro-lemah Weinberg-Salam. Penyertaannya menempatkan quark u dan d berpasangan seperti elektron dan neutrinonya, sedangkan s tanpa pasangan.

Skema ini ternyata menghadirkan interaksi arus-netral yang menggandeng quark d dan s. Ini aneh! Soalnya, interaksi arus-netral pada dasarnya hanyalah menggandeng quark atau lepton sejenis dan antinya. Dari segi eksperimen, jenis interaksi arus-netral tadi meramalkan peluruhan hadron strange netral ke pasangan lepton- antilepton. Suatu ramalan yang bertentangan dengan kenyataan eksperimen.

Jipsy cantik
Masalah yang mengecewakan ini ternyata segera ditemukan pemecahannya oleh tiga fisikawan AS: Sheldon Glashow, John Iliopoulos, dan Luciano Maiani pada tahun 1970. Mereka mengusulkan sebuah quark tambahan bermuatan listrik (2/3), sebagai pasangan dari quark s.

Quark baru ini diberi nama charm (c) atau cantik. Sekali lagi, nama ini tak bersangkut paut dengan unsur kecantikan. Pilihannya mungkin muncul sebagai luapan kegembiraan mereka dalam usaha mengatasi masalah arus-netral quark tadi.

Usulan ini dengan demikian meramalkan kehadiran kelas hadron baru yang mengandung quark c, yang disebut hadron charm. Pengamatan arus netral oleh tim Gargamelle rupanya menyadarkan para fisikawan eksperimen untuk lebih tanggap terhadap ramalan model standar. Perburuan hadron charm pun segera dilakukan.

Sekali lagi, model standar terbukti benar. Si “hadron cantik” ini ditemukan pada bulan November tahun 1974 oleh dua tim AS, sebagai hasil tumbukan elektron dan positron (anti-elektron) berenergi tinggi. Satunya di Brookhaven National Laboratory, Long Island, New York, di bawah pimpinan fisikawan AS keturunan Cina, Samuel Ting. Sedangkan team tandingannya di Stanford Linear Accelerator (SLAC), California, dipimpin oleh Burton Richter.

Hadron charm ini adalah sebuah meson yang tersusun dari ikatan quark s dan antinya, dengan berat sekitar tiga kali berat proton. Tim pantai timur menamainya: J, sedangkan lawannya di pantai barat memberi nama: psy. Dari data meson “cantik” ini, massa quark c ditaksir sekitar 10 kali massa quark s.

Gabungan kedua nama ini ternyata enak pula bunyi ejaannya dalam bahasa Indonesia: “Jipsy”. Tentu saja, yang teramati bukanlah si cantik Cassandra dari Telenovela. Mungkin untuk menghindari tafsiran keliru ini, disepakatilah nama psy bagi meson charm ini.

Temuan ini dipandang sebagai titik-balik penelitian fisika partikel, sehingga panitia Nobel menganugerahkan hadiah Nobel fisika tahun 1976 kepada Ting dan Richter.

Lepton dan quark baru
Temuan partikel psy kemudian merangsang para fisikawan eksperimen melakukan perburuan partikel baru secara gencar. Setahun kemudian, tim SLAC di bawah pimpinan Martin Perl kembali berhasil menemukan lepton baru dengan berat sekitar dua kali proton. Lepton baru yang diberi nama tau ini ternyata berpasangan pula dengan neutrinonya, neutrino-tau.

Penyertaan lepton baru ini ke dalam model standar ternyata membawa ketimpangan. Dalam sektor lepton terdapat tiga keluarga, elektron, muon, dan tau; sedangkan dalam sektor quark hanyalah dua: pasangan u dan d, serta c dan s. Untuk mengimbangi susunan ini, para fisikawan teori mengusulkan bahwa di sektor quark terdapat pula pasangan ketiga, yang terdiri dari quark t (top: puncak) bermuatan listrik (2/3), dan b (bottom: dasar) bermuatan (-1/3).

Apakah quark baru ini merupakan khayalan mengada-ada para fisikawan teori? Para fisikawan eksperimen rupanya menanggapinya secara sungguh-sungguh. Pada tahun 1977, kembali sebuah tim AS di FermiLab, di bawah pimpinan Leon Lederman, menemukan sebuah meson baru yang mendukung kehadiran quark b. Meson bottom yang diberi nama upsilon ini bermassa sekitar sembilan kali massa proton, yang memberi taksiran bagi massa quark b sekitar empat kali massa quark c.

Perburuan quark top akhirnya berhasil juga di Fermilab pada bulan April tahun lalu oleh dua kelompok fisikawan AS yang menggunakan mesin penumbuk proton-antiproton berenergi ultra tinggi, Tevatron (Kompas, 6/3/95 dan 6/4/95). Hasil olahan data amatan kelompok CDF (Collider Detector Facility) memberi angka sekitar 175 kali massa proton untuk massa quark top, sedangkan kelompok DZero memberi angka sekitar 200 kali.

Hadiah Nobel 1979
Karya pena ‘t Hooft dan temuan eksperimen yang menyusulinya semakin menguatkan keabsahan teori elektro-lemah Weinberg-Salam yang dibangun berdasarkan model Glashow ini. Prestasi tinggi yang dicapai teori ini akhirnya meyakinkan panitia hadiah Nobel untuk menganugerahkan hadiah Nobel fisika tahun 1979 kepada para penggagasnya: Steven Weinberg, Abdus Salam, dan Sheldon Glashow.

Mengapa Gerard ‘t Hooft dan Martinus Veltman — dua fisikawan teori yang begitu besar jasanya dalam memberi nafas kehidupan bagi teori ini — hingga sekarang tak dianugerahi hadiah Nobel? Suatu pertanyaan yang tampaknya wajar dikemukakan. Karya mereka rupanya bernasib sama seperti karya akbar fisikawan teori terbesar Albert Einstein, teori kerelatifan umum, yang juga tak mendapat penghargaan hadiah Nobel. Hadiah Nobel tahun 1922 yang dianugerahkan pada Einstein tak menyinggung sedikit pun karya termegahnya itu! Tentu saja, panitia Nobel jua yang mengetahui alasannya!

W dan Z ditemukan
Penganugerahan hadiah Nobel fisika tahun 1979 ternyata mendahului pembuktian eksperimen bagi kehadiran partikel W-plus, W- min, dan Z, perantara interaksi lemah, yang diramalkan model standar. Rupanya, di sini keyakinan keabsahannya berhasil mengalahkan kesabaran menantikan pembuktian eksperimennya.

Memang benar. Ketiga partikel itu akhirnya ditemukan pada bulan Januari 1983 oleh kelompok UA1 di CERN, Jenewa, Swiss, lewat percobaan tumbukan proton anti-proton berenergi tinggi. Sebagai imbalannya, Carlo Rubbia, fisikawan Italia, bersama fisikawan Belanda, Simon van der Meer, dianugerahi hadiah Nobel fisika tahun 1984. Rubbia adalah pemrakarsa dan pemimpin tim perburuan ini, sedangkan van der Meer berjasa merancang mesin penumbuk proton anti- proton yang dengannya ketiga partikel ini ditemukan.

Partikel Higgs?
Dengan ditemukannya bukti kehadiran quark top, perburuan terakhir kini ditujukan pada partikel Higgs. Sayangnya, massa partikel ini tak dapat diramalkan secara pasti, namun ditaksir berada di atas massa partikel W, Z, dan quark top.

Secara teori, partikel Higgs dapat pula dihasilkan melalui tumbukan proton dan anti-proton berenergi sangat-sangat tinggi. Usaha perburuannya semula diprakarsai oleh para fisikawan AS begitu partikel W dan Z ditemukan. Karena energi tumbukan yang dibutuhkan lebih tinggi daripada yang dapat dihasilkan semua pemercepat partikel saat itu, maka dibangunlah sebuah laboratorium baru di Waxahachie, negara bagian Texas, untuk memenuhi kebutuhan ini.

Laboratorium ini dinamai SSC (Superconducting Supercolider) yang ternyata mengundang perdebatan sengit di Senat AS, karena sangat tinggi biaya pembangunannya: 20 trilyun rupiah lebih! Setelah melalui perdebatan panjang selama bertahun-tahun, Senat AS akhirnya memutuskan untuk membatalkan kelanjutan proyek raksasa yang sangat mahal itu pada akhir tahun 1993 lalu.

Kini, harapan satu-satunya digantungkan pada tim Eropa yang merencanakan membangun laboratorium sejenis dengan nama LHC (Large Hadron Collider), yang direncanakan selesai pada tahun 2002. Energi tumbukan yang dihasilkannya lebih rendah, sekitar 1/4 energi SSC. Begitu pula biaya pembangunannya, sekitar 1/5 biaya SSC. Terowongan cincin mesin penumbuk ini dibangun di laboratorium CERN, di pinggiran kota Jenewa, melintasi perbatasan Swiss-Perancis. Apakah partikel Higgs bakal teramati, sejarah masa depanlah yang akan mencatatnya. Bila hasil perburuannya nihil, maka sebuah teori elektro-lemah baru — tanpa partikel Higgs namun tak melanggar kesetangkupan tera — menanti untuk ditemukan rumusannya. Sebuah tantangan menarik bagi para fisikawan teori medan tentunya.***
—————————–
KISAH KONFIRMASI QUARK TOP
Pengantar AWAL
Maret lalu, Laboratorium Akselerator Nasional Fermi yang lebih dikenal sebagai Fermilab kembali mengumumkan menemukan partikel elementer quark top, hampir setahun setelah pengumuman pertama bulan April 1994. Jika pengumuman pertama dilakukan hanya oleh kelompok CDF dari Fermilab, pengumuman terakhir ini dilakukan oleh kelompok CDF dan DZero, keduanya dari Fermilab juga. Tiap kelompok beranggotakan 450 fisikawan dari berbagai negara yang sedang belajar di Chicago. Warga Indonesia yang fisikawan muda Stephan van den Brink ikut dalam riset akbar ini, masuk kelompok CDF, kandidat doktor dari Universitas Pittsburgh, dan mengirimkan tulisan tentang eksperimen quark top yang terakhir untuk pembaca Kompas.

FERMILAB tanggal 2 Maret lalu mengumumkan konfirmasi penemuan partikel subatomis quark top, satu dari enam jenis quark yang eksistensinya masih belum pasti. Ilmuwan di seluruh dunia telah memburu quark top sejak quark bottom ditemukan tahun 1977 di Fermilab. Penemuan ini memberikan dukungan kuat bagi teori quark untuk menjelaskan struktur materi.

Dua makalah riset mengenai temuan ini dari dua kelompok eksperimen Fermilab yang saling bersaing – CDF (Collider Detector Facility) dan DZero – sudah diserahkan kepada jurnal fisika berwibawa Physical Review Letters. Makalah-makalah itu menjelaskan observasi quark top yang dihasilkan oleh tabrakan energi tinggi antara proton dan antiproton.

Kedua eksperimen beroperasi simultan. Keduanya menggunakan berkas partikel proton dan antiproton yang dipercepat oleh mesin akselerator partikel Tevatron berenergi tertinggi di dunia kini. Kedua kelompok, masing-masing beranggotakan 450 fisikawan, menyajikan hasil kerja mereka dalam sebuah seminar akbar di Fermilab tanggal 2 Maret 1995 di Batavia, Illinois.

“Bulan April 1994, CDF mengumumkan untuk kali pertama bukti eksperimental langsung mengenai eksistensi quark top,” kata William Carithers Jr, salah seorang jurubicara eksperimen CDF.

“Tapi, saat itu kami masih sangat berhati-hati mengatakan penemuan quark top dengan pasti tanpa konfirmasi lebih lanjut,” kata Giorgio Bellettini, jurubicara lain CDF yang merupakan pemimpin grup Italia di CDF.

“Sekarang dengan analisis data sekitar tiga kali lebih banyak, kami dengan pasti mengonfirmasikan bukti pertama yang telah diumumkan April 1994 dan dengan ini mengukuhkan penemuan quark top,” tambah Bellettini. Kelompok DZero juga telah menemukan quark top dalam penelitian terpisah. “Observasi DZero mengenai quark top sangat bergantung pada karakteristik dan jumlah peristiwa quark top yang kami amati,” kata Paul Grannis dan Hugh Montgomery, keduanya jurubicara DZero.

“Tahun lalu, kami tidak punya data untuk menyatakan eksistensi quark top, tapi sekarang dengan jumlah data yang cukup, kami berhasil melihat sinyalnya,” tambah Montgomery.
***

PARA fisikawan mengidentifikasi quark top dengan mengamati sinyal elektronik yang dihasilkan quark top. Namun, ada fenomena lain yang kadang bisa menyerupai sinyal quark top. Fenomena seperti ini dikenal sebagai latar. Untuk mengklaim suatu penemuan partikel, para eksperimentalis harus mengamati cukup banyak peristiwa quark top, sekaligus menghilangkan sinyal yang berasal dari latar.

Dalam tabrakan proton dan antiproton, dihasilkan quark top yang sangat jarang muncul. CDF berhasil menemukan 43 peristiwa yang konsisten dengan produksi quark top. Untuk mengamati ke-43 peristiwa ini, kami harus meneliti 50 juta peristiwa yang direkam dalam peta magnetik oleh CDF.

Produksi quark top yang dominan pada tingkat energi 1,8 TeV atau 1.800 milyar elektronvolt ini adalah melalui jalur anihilasi pasangan quark-antiquark yang berasal dari proton dan antiproton. Anihilasi ini menghasilkan gluon, yang kemudian terbelah menjadi pasangan quark top (t) dan antiquark top (t’).

Quark top tidak stabil karena massanya yang besar, oleh karena itu terurai menjadi boson W positif dan quark bottom (b). Antiquark top terurai menjadi boson W negatif dan antiquark bottom (b’). Boson W dapat terurai menjadi pasangan lepton – elektron bersama neutrino- elektronnya ataupun muon bersama neutrino-muonnya – atau semburan quark yang lebih ringan.

Mari kita lihat kedua kemungkinan penguraian boson W itu.
* Peristiwa di mana kedua boson W terurai menjadi dua pasangan lepton merupakan peristiwa “tebersih” – sedikit latar – tapi juga merupakan peristiwa penguraian quark top yang sangat jarang. Hanya lima persen dari peristiwa tt’ yang mengambil jalur penguraian ini. tt’ —> W+bW-b’ —> l+l-vvbb’ l = lepton bermuatan, elektron (e) atau muon (u) v = neutrino elektron atau neutrino muon
* Peristiwa di mana salah satu dari kedua boson W terurai menjadi pasangan lepton dan boson W yang lain terurai menjadi jet quark merupakan peristiwa yang lebih sering muncul. Jalur penguraian ini disebut jalur lepton plus jet. tt’ —> W+bW-b’ —> l+bjjb’ j = jet, semburan partikel yang mengandung quark ringan Sekitar 30 persen peristiwa tt’ terurai melalui jalur ini.

Tapi, sinyal latar lebih besar bagi boson W yang terurai menjadi jet daripada bagi boson W yang terurai menjadi lepton. Hal ini berarti, boson W yang terurai menjadi jet ini lebih sulit untuk diamati.

Untuk memisahkan W boson jenis ini dari sinyal latarnya, kita cari quark bottom yang dihasilkan bersamaan dengan boson ini oleh penguraian quark top.

Quark bottom berumur sekitar seperseribumilyar detik dan bergerak sejauh beberapa ratus mikrometer (seperseratus sentimeter) sebelum kemudian terurai melalui jalur semileptonik menjadi pasangan lepton.

Karena itu, quark bottom ini bisa diamati dengan dua teknik:
* Dengan mengidentifikasi elektron ataupun muon hasil penguraian semileptonik quark bottom. Cara ini disebut Soft Lepton Tag (SLT) atau pengidentifikasian lepton “lunak”. Lunak di sini berarti bermomentum transversal rendah, yang juga berarti berenergi rendah.

* Dengan mengidentifikasi verteks penguraian sekunder yang berjarak beberapa ratus mikron dari titik penguraian utama. Titik penguraian utama adalah titik di mana quark top terurai menjadi boson W dan quark bottom. Titik penguraian sekunder adalah titik di mana quark bottom terurai secara semileptonik. Cara ini disebut Secondary Vertex Tag (SVX).

Teknik ini dapat dilakukan di CDF karena adanya detektor verteks silikon yang menggunakan teknologi canggih kristal silikon beresolusi tinggi. Karena resolusinya yang sangat tinggi yakni sekitar delapan mikron, detektor SVX ini dipasang paling dekat dengan lokasi tabrakan proton-antiproton untuk mengamati posisi verteks sekunder quark bottom.

Resolusi delapan mikron ini berarti, detektor SVX sanggup membedakan jarak sekecil delapan mikrometer, yakni delapan kali sepersejuta meter. Ini berarti, posisi verteks sekunder yang berjarak beberapa ratus mikron dari posisi verteks utama dapat dengan “mudah” diamati detektor SVX.

Jadi di CDF, kami mencari quark top yang jumlahnya melebihi jumlah peristiwa yang mungkin ditiru oleh latar, dengan tiga cara di atas: jalur dileptonik, jalur lepton plus jet dengan teknik SLT, dan jalur lepton plus jet dengan teknik SVX
***

SYARAT-SYARAT utama penemuan quark top:
* Peristiwa di atas latar – peristiwa yang jumlahnya melebihi jumlah yang mungkin ditiru latar – yang terdiri atas dua boson W dan dua jet. Juga dicari jet yang berasal dari quark bottom.
* Peristiwa di atas latar yang terdiri dari satu boson W ditambah tiga atau lebih jet dengan identifikasi quark bottom.
* Kinematika yang konsisten dengan produksi dan penguraian top.
* Adanya puncak maksimum dalam plot distribusi massa bagi peristiwa yang dapat direkonstruksi secara lengkap. Hasil analisis data tahun 1992-1993 yang diumumkan April 1994 untuk luminositas proton antiproton sebesar 19,3 inverse picobarn sebagai berikut.
* Ditemukan dua peristiwa top di jalur dileptonik dengan ketidakpastian di bawah harga rata-rata 0,13 sedangkan ketidakpastian di atas harga rata-rata 0,25.
* Ditemukan tujuh peristiwa top melalui teknik SLT dengan tahap latar sebesar 3,1 dengan toleransi 0,3.
* Ditemukan enam peristiwa top melalui teknik SVX dengan tahap latar sebesar 2,3 dengan toleransi 0,3.

Teknik SLT dan SVX menemukan tiga peristiwa yang sama. Kombinasi probabilitas yang konsisten dengan latar untuk ketiga cara itu adalah 0,26 persen atau 2,8 deviasi standar Gaussian. Ini berarti, ada 0,26 persen kemungkinan, peristiwa top di atas ditiru latar.

Statistik yang diperoleh tahun lalu belum cukup untuk menetapkan eksitensi quark top dengan kukuh, tetapi dengan mempertimbangkan kemungkinan yang sangat kecil bahwa peristiwa itu dapat ditiru latar sampai ke tahap yang diamati, maka interpretasi yang wajar adalah, peristiwa itu muncul akibat produksi pasangan quark top dan antiquark top.

Hasil analisis data terakhir yang diumunkan 2 Maret l995, juga mencakup hasil yang diumumkan tahun lalu, dari sampel data sebesar 67 inverse picobarn tabrakan proton antiproton sebagai berikut.
* Ditemukan enam peristiwa dileptonik dengan tingkat latar 1,3 dan toleransi 0,3. Ini berarti, latar dapat meniru peristiwa top ini, tapi dengan probabilitas yang sangat kecil: 3.10-3.
* Ditemukan 23 peristiwa melalui identifikasi SLT dengan tingkat latar sebesar 15,4 dan toleransi 2,0. Probabilitas bagi latar meniru peristiwa ini adalah 6.10-2.
* Ditemukan 27 peristiwa melalui identifikasi SVX dengan tingkat latar sebesar 6,7 dan toleransi 2,1. Probabilitas bagi latar untuk meniru peristiwa ini adalah 2.10-5.

Kombinasi ketiga probabilitas latar itu menghasilkan nilai sebesar 4,8 deviasi standar. Artinya, ada sekitar sepersejuta kemungkinan bagi latar untuk meniru peristiwa top tersebut. Dengan hasil yang sangat solid ini, kami para kolaborator di CDF mengonfirmasikan penemuan quark top yang merupakan penelitian lanjutan akan pengumuman bukti eksistensi quark top bulan Aprtl l994.

Kolaborator DZero juga turut melaporkan hasil riset mereka. Hasilnya dari sampel data sebesar 50 inverse picobarn, diamati 17 peristiwa top yang terurai sebagai berikut:
* Ditemukan tiga peristiwa dileptonik dengan ekspektasi latar sebesar 0,65
* Ditemukan delapan peristiwa lepton plus jet tanpa identifikasi muon dengan tingkat latar sebesar 1.9
* Ditemukan enam peristiwa lepton plus jet dengan identifikasi muon.

***

FacebookTwitterWhatsAppLineTelegramGoogle+Share

Leave a comment!

Add your comment below, or trackback from your own site. You can also subscribe to these comments via RSS.

Be nice. Keep it clean. Stay on topic. No spam.

You can use these tags:
<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

This is a Gravatar-enabled weblog. To get your own globally-recognized-avatar, please register at Gravatar.