Home / Artikel / Gaya Lemah dan Gaya Kuat

Gaya Lemah dan Gaya Kuat

Pada tulisan yang lalu kita telah membahas tentang kekuatan kesatu dan kedua, yaitu gravitasi dan elektromagnet. Gravitasi adalah kekuatan yang paling kita kenal, yang mengikat satelit-satelit, planet-planet, bintang-bintang dan galaksi-galaksi. Sedangkan dalam ukuran yang jauh lebih kecil adalah daya elektromagnet, di mana ia mampu menahan elektron-elektron ditempatnya mengitari inti atom.

Tetapi gaya elektromagnet saja belum cukup untuk menjelaskan semua kelakuan bahan dalam ukuran zarah bagian atom. Masih ada dua kekuatan lain, walaupun kekuatan-kekuatan tersebut tidak tampak dalam ukuran besar, namun mereka memegang peranan dalam menentukan alam raya seperti yang kita kenal sekarang.

Gaya Tarik Kuat.
Untuk mengetahui bagiamana kekuatan-kekuatan tersebut hadir, dapat dilihat dari petunjuk yang datang dari dari struktur dasar benda. Mari kita lihat atom yang terdiri dari awan elektron bermuatan negatif, yang menyelubungi inti pusat bermuatan positif, umumnya berisi dua jenis zarah, yitu proton positif dan netron yang netral.

Setiap proton membawa satu satuan muatanan positif, dan setiap elektron satu satuan muatan negatif. Dalam sebuah atom, inti berisi jumlah proton yang sama dengan jumlah elektron dalam awan di luarnya, sehingga membuat atom itu secara keseluruhannya menjadi netral. Muatan yang berlawanan saling tarik menarik, kendati hanya sampai titik tertentu, paling tidak untuk membuat elektron tida dapat “jatuh” ke dalam inti. Sementara kita tahu, muatan yang sama saling menolak. Lalu mengapa gaya listrik bermuatan sama itu menggumpal menyatu dan tidak menceraikan inti? Jawabnya, sebagian terletak pada netron netral yang “mencairkan” gaya listrik di antara proton-proton. Tetapi mengapa pula netron-netron berjatuhan di sana?

Satu-satunya jawaban, mesti ada kekuatan dasar lain yang lebih kuat dari elektromagnet bekerja didalam inti Kekuatan ini mengikat proton-proton dan netron-netron di dalam inti. Tetapi kekuatan ini tidak mempunyai pengaruh di luar inti. Dengan demikian, berbeda dari gravitasi dan elektromagnet, mestinya kekuatan tersebut terbatas pada jarak yang sangat pendek, hanya sekitar 10 pangkat min 15 meter, dan disebut gaya kuat. Percobaan-percobaan yang melibatkan tumbukan-tumbukan diantara zarah-zarah dasar dalam Laboratorium, menunjukkan bahwa didalam inti kekuatannya sekitar 100 kali lebih kuat dari gaya listrik diantara proton-proton.

Kebenaran Dasar
Sebuah pertanyaan, dari manakah datangnya gaya kuat? Untuk gluon membawa muatan warna, seperti yang berlaku pada quark. Ada 8 jenis gluon yang berbeda, masing-masing dengan gabungan warna sendiri, Jadi gluon dapat saling mempengaruhi satu sama lain, seperti juga dengan quark memiliki gaya kuat. Ini membuat kekuatan itu sangat berbeda dari gaya elektromagnet. Ketika dua zarah bermuatan listrik ditarik terpisah, kekuatan diantara mereka berkurang. Tetapi ini tidak terjadi pada muatan warna. Kekuatan diantara dua quark -warna tidak berkurang ketika jarak diantara mereka bertambah. Sebaliknya, gluon yang terhimpun pada quark saling menarik satu sama lain seperti juga pada quark. Nampaknya itu merupakan alasan mengapa quark yang menyendiri tidak pernah lepas dari bagian dalam sebuah proton, namun mesti selalu hadir dalam gabungan tak berwarna dengan quark lain. Tapi tak seorangpun yang telah membuktikan secara teoritis bahwa quark dan gluon harus selalu dibatasi dalam cara ini.

Tetapi sekalipun gaya kuat, tidak cukup untuk menjelaskan semua kelakuan zarah dalam inti dan diluar mereka. Nisalnya, sebuah netron yang bebas dari batas-batas inti atom tidak tinggal selamanya. Setelah masa hidup rata-rata sedikit di bawah 15 menit, netron yang terasing akan meludahkan keluar sebuah elektron dan sebuah zarah yang disebut antinetrino, dan akan menjadi proton. Sebuah netron di bagian dalam inti, tetapi tidak berlaku demikian, kecuali dalam radio aktif yang goyah. Para fisikawan dapat. menggambarkan “perusakan” netron dalam batas-batas pemancaran dan penyerapan sebundel medan, dan karenanya dalam batas-batas gaya dasar. Dalam kejadian ini, kekuatan itu disebut gaya lemah karena di bagi-an dalam inti gaya itu berkekuatan sekitar 10.000 lebih lemah dari gaya kuat.

Ada 3 quark medan yang memancarkan gaya lemah, dua dari padanya berkekuatan listrik. Mereka disebut W+ dan W-. Pembawa gaya ketiga yang tidak bermuatan dikenal sebagai Z drajat. Jadi gaya lemah dapat mengubah muatan sebuah zarah, seperti ketika sebuah netron rusak menjadi sebuah proton, atau ia dapat melibatkan pengaruh tim-bal-balik, dimana tidak ada muatan yang berubah.

Ketiga pembawa gaya lemah itu adalah berat –masing-masing memiliki massa kira-kira 100 kali massa proton atau netron. Jadi bagaimana sebuah netron dapat memancarkan zarah W atau Z yang sebenarnya jauh lebih berat dari dirinya sendiri, sekalipun jika zarah itu diserap kembali?

Jawabannya terletak pada ketidakpastian bundel (= quantum uncertainty). Fisika bundel memperlihatkan kepada kita bahwa tidak ada jumlah, seperti massa sebuah net-ron yang pernah cocok secara tepat. Selalu saja ada suatu ketidakpastian dalam jumlah massa itu –bicara kasarnya, massa-tenaga— yang terhimpun pada sebuah zarah, atau bahkan pada sebuah titik dalam ruang kosong. Selama jangka waktu panjang, ketidakpastian ini sangat kecil tetapi selama jangka waktu yang sangat pendek, ketidakpastian itu adalah sangat besar. Sebuah netron dapat menciptakan dan memancarkan sebuah zarah W atau Z ke luar sama sekali, yang memberikan zarah itu diserap oleh netron atau zarah lain dalam jangka waktu sangat pendek, sehingga alamraya tidak memberitahukan ketidakcocokannya. Waktu sangat bergantung pada massa zarah sesuai dengan kaidah-kaidah bundel.

Foton, medan sebundel gaya elektromagnet, memiliki kelebihan massa nol. Zarah-zarah tersebut dapat melancong dan menyebrangi alamraya. Tetapi zarah W dan Z keadaanya berat, sehingga tidak dapat melancong jauh dari induknya. Jadi seperti gaya kuat namun dengan alasan yang berbeda, gaya lemah memiliki deretan yang sangat pendek.

Para fisikawan telah dapat menciptakan zarah W dan Z, dengan menumbukkan berkas zarah bagian dalam atom bersama-sama dalam tenaga yang demikian tinggi dari jumlah massanya yang tersedia, segaris dengan E = mc kuadrat, melebihi massa pembawa gaya lemah tersebut. Kemudian zarah itu adalah nyata bukan sebenarnya. Kehadiran mereka dapat dijajaki melalui pencatat seperti yang terdapat di pusat riset Eropa, CERN, dan massa mereka dapat ditentukan.

Percobaan demikian membantu kita menyelidilci peranan kekuatan-kekuatan itu pada alamraya awal. Ketika alam raya masih sangat muda keadaannya panas dan memadat. Seluruh ruang diisi dengan berbagai jenis rembesan dan zarah giat. Rembesan giat itu kini dikenal sebagai gelombang radio pada suhu 3K, dan itu datang dari semua arah antariksa, yaitu rembesan latarbelakang langit. Disaat pertama kehadiran alamraya, rembesan tersebut berada pada suhu milyaran drajat, dan menjawab pertanyaan itu, para fisikawan telah mencoba mengembangkan pemahaman tentang. gaya kuat dengan menggunakan jenis penggambaran yang sama yang bekerja demikian baiknya bagi elektromagnet. Gaya elektromagnet adalah satu diantara kekuatan yang paling difahami, dan yang digambarkan oleh teori yang sangat memuaskan yang dikenal sebagai QED. Ini menggunakan teori medan bundel, di mana menggambarkan “medan” sekitar benda akan batas-batas penyerapan dan pemancaran zarah dasar yang sinambung –dikenal sebagai sebundel medan.

Dalam QED, benda adalah sesuatu yang membawa muatan listrik, medan itu adalah medan elektromagnet, dan sebundel medan adalah foton-foton, yaitu zarah cahaya. Sebuah muatan listrik secara tetap memancarkan dan menyerap foton-foton “sebenarnya” sendiri-sendiri. Jika benda bermuatan yang lain menyerap satu diantara foton tersebut, maka benda itu saling mempengaruhi satu sama lain melalui gaya elektromagnet. Para fisikawan menafsirkan gaya kuat itu dalam batas-batas sifat yang sepadan ngan muatan listrik yang terhimpun daiam zarah sejenis foton. Pemahaman itu muncul setelah percobaan mengungkapkan tingkat yang lebih dalam terhadap struktur bahan.

Percobaan tersebut menunjukkan bahwa proton tersusun dari zarah-zarah yang lebih mendasar, yang disebut quark. Seperti elektron, nampaknya quark merupakan zarah yang benar-benar dasar dan tidak dapat dibagi lagi. Mereka membawa muatan listrik yang sepertiga atau duapertiga ukuran satuan baku muatan pada sebuah elektron atau proton. Namun mereka muncul menjadi gabungan yang meyakinkan bahvia muatan itu selalu bertambah sampai keseluruhan satuan atau nol. Misalnya, ada tiga quark dalam setiap proton dan setiap netron. Sifat-sifat quark itu seperti muatan listrik, namun melibatkan gaya kuat yang disebut muatan warna. Nampaknya muncul dalam tiga macam warna pola cahaya bukan wama sehari-hari yang kita kenal. Hal itu hanya untuk mempermudah membayangkan dalam istilah nyata yang dikenal. Dengan demikian ketiga jenis muatan yang terhimpun dalam gaya kuat diberi dengan nama merah, hijau dan biru.

Tetapi seperti muatan listrik positif dan negatif dapat berjumlah nol, demlltian juga warna muatan quark dapat bertambah (berjumlah) untuk memberikan tidak berwarna. Inilah yang terjadi dalam proton dan netron. Zarah-zarah tersebut “tidak berwarna”, sekalipun mereka berisi quark-quark warna. Proton misalnya. berisi satu quark biru, satu merah, dan satu hijau. Dalam cara yang sama, sebuah atom “tidak bermuatan”, sekalipun ia berisi proton posotif dan elektron negatif. Jadi gaya kuat, yang hanya mempengaruhi zarah wama, tidak bekerja langsung pada proton dan netron. Ia bekerja pada quark-quark didalam tubuh mereka (netron dan proton). Tetapi ia masih dapat memegang proton dan netron berkumpul dalam inti, dalam cara yang sama seperti gaya elektromagnet dapat memegang atom-atom bermuatan listrik netral berkumpul. Inti muatan positif sebuah atom hanya sebagiannya diselubungi oleh awan elektronnya, dan meras Akan pengaruh elektron muatan negatif pada awan yang melingkari atom tetangganya, yang menimbulkan gaya-gaya Van de Walls. Demikian halnya dengan quark-quark warna dibagian dalam proton merasakan pula hadirnya quark-quark dalam proton di luarnya atau tetangganya.

Lem Nuklir
Gaya-gaya elektromagnet melibatkan pertukaran foton-foton; zarah-zarah medan yang sepadan pembawa gaya kuat dengan nama kluon, karena mereka “merekat” zarah-zarah itu tentu saja terkumpul. Garis-garis medan yang melukiskan kekuatan diantara quark-quark, dalam cara yang sama yang mereka gunakan untuk melukiskan kekuatan-kekuatan diantara zarah-zarah bermuatan listrik. Karena keseluruhan teori ini didasarkan pada QED, namun melibatkan yang disebut muatan wama, maka ia dikenal sebagai chromodynamika bundel, atau QED. Seperti foton, gluon tidak memliliki massa. Namun ada satu perbedaan penting yang istimewa antara gluon dan foton. Foton adalah tak bermuatan listrik, sehingga tidak saling mempengaruhi satu sama lain melalui gaya elektromagnet. Tetapi dibawah kondisi demikian, zarah W dan Z dapat dibuat dengan mudah sebagai foton.

Gaya listrik lemah
Teori dari percoban-percobaan tingkat tinggi menyatakan bahwa pada tenaga yang cukup tinggi, elektromagnet dan gaya lemah merupakan bagian dari kemanunggalan, kesatuan gaya listrik lemah. Mereka hanya memecah menjadi dua kekuatan pada tenaga yang lebih rendah atau suhu yang lebilt rendah. Para fisikawan menemukan hubungan antara gaya lemah dan gaya elektromagnet bukan melalui percobaan, melainkan dalam usaha mereka mengembangkan teori medan bundel bagi gaya lemah. Penegasan tidak langsung terhadap teori listrik lemah, pertama kali muncul tahun 1970-an, tetapi baru pada tahun 1984 para peneliti di CERN berhasil mengamati penghasilan langsung zarah W dan Z. Ini membuktikan dua kekuatan yang dapat digabungkan dalam satu kotak.

Penelitian ini merupakan peristiwa penting dalam sejarah. Satu cara mengembangkan rasa tentang bagaimana dua kekuatan dapat digabungkan menjadi satu adalah dengan mengingat bahwa listrik dan magnet dalam pandangan pertama merupakan gejala yang tidak bertalian, walaupun mereka merupakan perwujudan yang sama dari yang mendasari gaya elektromagnet.

Fisika terakhir
Keberhasilan mempersatukan dua kekuatan dari empat kekuatan dalam satu teori telah membesarkan hati para fisikawan untuk menyelidiki suatu teori segala sesuatu yang tunggal –yang menggambarkan 4 kekuatan pembentuk alam raya— sebagai segi-segi yang pokok dan manunggal. Teori demikian mungkin dapat menjawab banyak pertanyaan lama serta memberikan wawasan terhadap pencarian kondisi-kondisi di tingkat alam raya awal.

Namun demikian mungkin itu masih jauh dari kondisi ilmu sekarang, tapi paling tidak di antara empat kekuatan itu adalah penting bagi penelitian selanjutnya. Matahari misalnya disuluhi oleh reaksi nuklir yang memiliki dasar-dasarnya dalam gaya lemah, tetapi dipegang oleh gravitasi. Jika gaya lemah itu keadaannya sedikit lebih kuat dibandingkan dengan gravitasi, maka Matahari akan menyala di masa lalu yang jauh. Tetapi jika ia lebih lemah, keluaran tenaga Matahari akan menjadi lebih lemah pula. Namun kondisi dari keduanya tidak akan menimbulkan kehidupan di Bumi untuk mempertimbangkan sifat alami keempat kekuatan itu.

Jika teori kesatuan besar dapat dikembangkan, maka ia akan menceritakan lebih banyak kepada kita tentang setiap komponen dari empat kekuatan itu, sehingga orang akan tahu sifat alami dunia temapat di mana kita hidup. Tetapi untuk mencapai itu tentu saja kita masih harus menunggu penelitian selanjutnya.**

Oleh S. Anwar Effendie.

Sumber: Majalah Mekatronika No.76-Tahun 1989

Share
%d blogger menyukai ini: