Penjelasan Ilmiah tentang materi..

Terbuat dari apa dunia ini?

Susunan Pembangun/Building Blocks

Para ahli fisika telah mengidentifikasi 12 susunan pembangun yang merupakan konstituen dasar materi. Dunia keseharian kita terbuat hanya dari tiga susunan pembangun tersebut : quark atas, quark bawah dan elektron.

Rangkaian partikel inilah yang diperlukan untuk membuat proton dan neutron, serta membentuk atom dan molekul. Neutrino elektron, yang teramati pada peluruhan partikel lain, melengkapi rangkaian empat susunan pembangun.

Untuk suatu alasan, alam telah memilih untuk menggandakan generasi pertama quark dan lepton ini, untuk menghasilkan enam quark dan enam lepton, dengan peningkatan massa.

Seperti semua quark, quark keenam,yang disebut ‘quark atas’, jauh lebih kecil dari proton (meskipun tidak ada yang tahu sekecil apa quark itu), tetapi ‘quark atas’ itu sama beratnya dengan atom emas!

Walaupun dipercayai bahwa tidak ada lagi rangkaian quark dan lepton, para ahli teori berspekulasi bahwa kemungkinan masih ada type susunan pembangun yang lain, yang boleh jadi sebagian menjelaskan ‘materi gelap’ (dark matter) yang timbul pada pengamatan astrofisika. Materi yang belum terlalu dipahami ini menghasilkan gaya gravitasional dan memanipulasi galaksi. Hal ini akan membawa percobaan akselerator yang ada di bumi untuk mengidentifikasi kandungannya.

Gaya Yang Bekerja

Para ahli memisahkan empat gaya elementer yang bekerja antar partikel : gaya kuat, gaya lemah, gaya elektromagnetik dan gaya gravitasional.

• Gaya kuat bekerja agar quark selalu ‘lengket’ membentuk proton, neutron dan partikel lainnya
• Gaya elektromagnetik mengikat elektron ke inti atom (kumpulan proton dan neutron) membentuk atom
• Gaya lemah memfasilitasi peluruhan partikel berat menjadi pasangan-pasangan yang lebih kecil
• Gaya gravitasional bekerja diantara objek bermassa besar (massive). Walaupun tidak berperan pada aras mikroskopis, tetapi merupakan gaya yang dominan dalam kehidupan kita sehari-hari dan keseluruh alam semesta.

Partikel memancarkan gaya satu sama lain dengan saling bertukar partikel pembawa-gaya yang disebut ‘boson’. Mediator gaya ini membawa sejumlah energi diskrit, yang disebut ‘quanta’, dari satu partikel ke partikel lain. Anda bisa membayangkan perpindahan energi akibat pertukaran boson seperti pengoperan bola diantara dua pemain basket.

Masing-masing gaya memiliki boson karakteristiknya sendiri :

• ‘Gluon’ memediasi gaya-gaya kuat; merekatkan quark.
• ‘Photon’ membawa gaya elektromagnetik; juga memancarkan cahaya.
• ‘Boson’ W dan Z mewakili gaya lemah; mereka menghasilkan jenis peluruhan yang berbeda.

Para ahli fisika beranggapan bahwa gaya gravitasional juga memiliki partikel boson. Namanya ‘graviton’. Boson hipotetis ini sangat sulit diamati berhubung, pada aras sub-atomik, gaya gravitasional jauh lebih lemah dibanding ketiga gaya elementer lainnya.

Antimateri

Meskipun selalu dikaitkan dengan fiksi ilmiah, antimateri nyata senyata materi. Untuk setiap partikel, fisikawan menemukan antipartikel pasangannya, yang nampak dan berperilaku hampir dengan cara yang sama. Namun, antipartikel memiliki sifat (properties) yang berlawanan dengan pasangan partikelnya. Misalnya, antiproton, memiliki muatan listrik negatif, sedangkan proton bermuatan positif.

Kurang lebih 10 tahun yang lalu, fisikawan di CERN dan Fermilab, menciptakan anti-atom pertama. Untuk mempelajari lebih jauh tentang sifat dari “Dunia Bayangan (Mirror World)”, mereka dengan hati-hati menambahkan sebuah positron (antipartikel dari elektron) ke sebuah antiproton. Hasilnya : antihidrogen!.

Menyimpan/mempertahankan antimateri adalah pekerjaan yang amat sulit. Segera sebuah antipartikel bertemu dengan partikel, mereka langsung ber-annihilasi, menghilang dalam kilatan energi. Dengan menggunakan medan gaya elektromagnetik, fisikawan mampu menyimpan antimateri didalam tabung vakum dalam waktu terbatas.

Standard Model

Para ahli fisika menyebut kerangka kerja teoritis yang menjelaskan interaksi antara susunan pembangun elementer (quark dan lepton) dan pembawa gaya (boson) sebagai “Standard Model”. Gravitasi belum termasuk bagian dari kerangka kerja ini, dan pertanyaan pokok/sentral dari fisika partikel abad 21 adalah mencari formulasi kuantum dari gravitasi yang dapat dimasukkan kedalam Standard Model.

Walau masih disebut sebuah model, Standard Model adalah teori fisika yang fundamental dan teruji. Para fisikawan menggunakannya untuk menjelaskan dan menghitung berbagai interaksi partikel dan fenomena kuantum. Berbagai eksperimen ber-presisi-tinggi telah berulangkali memverifikasi effek dasar yang diprediksi oleh Standard Model.

Sejauh ini, keberhasilan terbesar dari Standard Model adalah penggabungan/unifikasi gaya elektromagnetik dan gaya lemah menjadi yang disebut gaya elektro-lemah (electroweak force). Konsolidasi ini merupakan milestone bila dibandingkan dengan penggabungan gaya listrik dan gaya magnetik menjadi gaya elektromagnetik oleh J.C. Maxwell pada abad 19. Para ahli fisika berpendapat adalah memungkinkan menjelaskan semua gaya dalam satu Grand Unified Theory.

Namun, satu elemen pokok Standar Model masih membutuhkan verifikasi eksperimental : medan Higgs. Medan Higgs berinteraksi dengan partikel lain menghasilkan massa. Medan Higgs menampilkan pembawa gaya yang baru,yang disebut boson Higgs, yang belum teramati. Kegagalan menemukan ini akan membawa pertanyaan tentang kesahihan Standard Model. Para ahli fisika eksperimen di Fermilab berharap menemukan bukti keberadaan boson Higgs dan menghasilkan penemuan-penemuan selanjutnya dalam beberapa tahun mendatang.