Menggemparkan, Penemuan ”Partikel Tuhan”

PARTIKEL itu amat mengesankan. Diteorikan sejak hampir setengah abad silam, namun baru saat ini mendapatkan pembuktian. Pada 4 Juli 2012, tim ilmuwan CMS dan ATLAS secara terpisah mengumumkan penemuan partikel berat dengan energi diam 126 GeV atau dua kali lipat lebih berat ketimbang inti atom besi.
Masing-masing tim melaksanakan eksperimen penumbukan partikel subatomik yang berbeda dan terpisah satu sama lainnya, namun berlangsung pada fasilitas akselerator partikel yang sama yakni LHC (Large Hadron Collider).
Segera penemuan ini menggemparkan jagat ilmu pengetahuan. Sebab terdapat indikasi kuat bahwa partikel tersebut, yang adalah partikel subatomik terberat sepanjang sejarah, adalah boson Higgs. Inilah bukti kuat boson Higgs memang eksis, setelah sekian lama hanya ada di atas kertas sejak pertama kali diteorikan Peter Higgs pada 1964 silam.
Sejak awal upaya pembuktian keberadaan boson Higgs memang amat sulit, sebab disadari massa partikel ini sangat besar dengan umur sangat singkat sehingga dibutuhkan fasilitas pemercepat partikel (akselerator) raksasa yang mampu mempercepat partikel-partikel tertentu sebagai ”peluru”-nya hingga tingkat energi kinetik amat ekstrem dalam orde TeV (tera elektronvolt). Sebutir proton dengan energi kinetik 1 TeV akan melejit amat cepat sehingga hanya 12 cm/detik lebih lambat dibanding lesatan cahaya. Sekumpulan inti Hidrogen murni seberat 0,9 miligram yang mengalami percepatan serupa akan berenergi kinetik setara bom nuklir Hiroshima.
Penemuan ini juga mengejutkan sebagian manusia, sebab boson Higgs lebih dikenal dengan nama ”partikel Tuhan”, khususnya di luar kalangan fisikawan. Sempat muncul perbincangan apakah penemuan ini bakal berimplikasi religius yang serius mengingat Tuhan dikesankan tersusun dari materi. Namun ”partikel Tuhan” sebenarnya hanyalah kesalahpahaman. Istilah tersebut muncul sejak 1970-an kala Leon Lederman menerbitkan buku ilmiah populer berbasis fisika partikel elementer dengan judul provokatif: ”The God Particle, If The Universe is Answer, What is The Question?” Istilah ”partikel Tuhan” juga tidak berkaitan dengan kajian fisika baru, yang mencoba menjembatani fisika dengan religiusitas.
Boson Higgs
Segalanya berawal dari pertanyaan tentang apakah penyusun jagat raya ini. Hingga 8 dekade silam, kita masih mempercayai bahwa bila tiap materi di sekitar kita dibelah demikian rupa hingga mencapai bagian terkecil, maka muncullah atom. Kemudian diketahui atom tersusun dari elektron yang bermuatan listrik negatif dan inti atom (nuklida) yang bermuatan listrik positif. Inti atom ternyata juga dapat dibelah menjadi proton dan neutron.
Hal itu berubah drastis semenjak Ernst Lawrence mengoperasikan fasilitas akselerator pertama di California (AS) pada 1932. Proton/elektron yang dipercepat hingga berenergi kinetik sangat tinggi dibenturkan ke target tertentu dan menghasilkan kepingan-kepingan subatomik. Proses ini ternyata menciptakan banjir partikel baru yang tak kepalang banyaknya. Berturut-turut ditemukan partikel-partikel subatomik dalam kelompok lepton, meson, barion dan hiperon. Hampir semuanya memiliki umur sangat singkat (bila dalam keadaan bebas) karena segera meluruh, kecuali proton dan elektron yang tetap stabil sepanjang masa. Muatan listriknya juga beragam mulai dari positif, negatif hingga netral. Spin (putaran)-nya pun demikian, mulai pecahan sederhana hingga bilangan bulat. Jika lepton dan meson lebih ringan dibanding proton, sebaliknya barion dan hiperon justru lebih berat. Karena demikian kecilnya, maka massa partikel subatomik sering dinyatakan sebagai energi diamnya berdasarkan persamaan Einstein: E = mc2. Proton memiliki energi diam 931,8 MeV (mega elektronvolt), sementara elektron 0,51 MeV.
Hingga tiga dekade kemudian, rangkaian penemuan ini justru membuat bingung para fisikawan dan menciptakan krisis tersendiri dalam ilmu pengetahuan. Guna memecahkannya, diajukanlah serangkaian teori yang kini dikenal sebagai Model Standar. Dalam model ini, semua materi dan gaya yang bekerja di jagat raya sebenarnya terdiri dari dua kelompok partikel: fermion dan boson. Fermion memiliki spin pecahan dan sifat-sifatnya tunduk kepada statistika kuantum Fermi-Dirac. Fermion terbagi dalam dua subkelompok: lepton dan kuark. Elektron tergolong lepton, bersama mu, tau, neutrino dan segenap antipartikelnya. Sementara kuark terdiri dari kuark u, d, c, s, t, b beserta segenap antipartikelnya. Sementara boson memiliki spin bilangan bulat yang tunduk pada statistika kuantum Bose-Einstein serta terdiri dari dua subkelompok : boson pembawa gaya dan boson skalar.
Model standar berhasil menjelaskan bagaimana dinamika materi dan empat gaya fundamental dalam jagat raya. Materi, mulai sekecil bakteri hingga sebesar galaksi, dibentuk oleh lepton dengan bantuan partikel elementer lainnya bernama gluon. Sementara empat gaya fundamental di jagat raya merupakan hasil pertukaran partikel-partikel boson pembawa gaya. Gaya gravitasi dan listrik disebabkan oleh pertukaran graviton dan foton yang energi diamnya nol sehingga jangkauannya sangat jauh. Sebaliknya gaya nuklir kuat dan lemah merupakan produk pertukaran partikel-partikel berenergi diam besar sehingga jangkauannya sangat pendek, hanya sejauh radius inti atom. Gaya nuklir kuat diemban pi meson sementara gaya nuklir lemah oleh foton berat (partikel W dan Z). Demikian pula evolusi dari lepton menjadi meson, barion dan hiperon pun dapat dijelaskan, lengkap dengan spin dan muatan listriknya.
Namun masih tersisa sejumlah masalah. Salah satunya adalah bagaimana lepton, pi meson dan foton berat bisa memiliki massa, sementara foton, graviton dan neutrino tidak. Di sinilah peran boson skalar, yang dikenal juga sebagai boson Higgs. Boson Higgs merupakan representasi medan Higgs, yang mana jika suatu partikel berinteraksi cukup kuat dengan medan ini menyebabkan partikel itu memiliki massa. Sebaliknya, jika interaksinya cukup lemah dengan medan Higgs maka partikel tersebut takkan bermassa. Hanya saja, untuk membebaskan boson Higgs dibutuhkan energi sangat besar mengingat energi diamnya pun cukup besar, yakni 133 kali lipat proton atau lebih dari dua kali lipat nuklida besi.
Atas alasan itulah, fasilitas LHC dibangun, sebagai lingkaran raksasa yang tersusun dari rangkaian magnet superkonduktor dan tabung hampa dengan keliling 27 km yang membentang melintasi perbatasan Swiss dan Prancis, menjadikannya mesin terbesar yang pernah dibuat manusia. LHC mampu mempercepat berkas proton berlawanan arah sehingga masing-masing berkas mampu memiliki energi kinetik 4 TeV. Jika keduanya dibenturkan, maka timbul tumbukan berenergi 8 TeV, yang cukup mampu untuk melepaskan boson Higgs. Sejak beroperasi pada 2008, tanda-tanda eksistensi boson Higgs telah muncul di LHC mulai 2011.
Memperjelas Big Bang
Model standar tak hanya berguna menjelaskan bagaimana sebuah partikel materi terbentuk beserta sifat-sifatnya dan transformasinya menjadi partikel lainnya, namun juga mendeskripsikan bagaimana jagat raya beserta segenap isinya bermula. Berdasarkan bukti-bukti yang tersisa, jagat raya dipercaya terbentuk 13,7 miliar tahun silam seiring terjadinya peristiwa big bang (dentuman besar). Tepat menjelang big bang, seluruh materi jagat raya adalah berupa plasma yang tersusun dari lepton dan kuark, yang termampatkan dalam ruang sangat kecil dan dikendalikan hanya oleh gaya tunggal, yakni gaya penyatuan akbar.
Saat big bang terjadi, plasma terdorong keluar hingga memperbesar ukuran jagat raya dengan amat cepat sekaligus menurunkan suhunya, sehingga kuark bisa mulai saling bergabung dengan bantuan gluon menghasilkan proton dan neutron. Gaya penyatuan akbar pun melenyap, digantikan oleh keempat gaya fundamental yang kita kenal saat ini. Maka dalam 3 menit pasca big bang, jagat raya purba telah berisi nuklida berupa proton dan inti Helium dengan perbandingan 3 : 1. Namun suhu jagat raya masih amat panas yang membuat setiap upaya penggabungan elektron dan nuklida membentuk atom dihancurkan kembali oleh foton. Butuh waktu 300.000 tahun pasca big bang sebelum suhu jagat raya cukup dingin untuk menopang bergabungnya elektron dengan nuklida membentuk atom stabil tanpa terurai kembali. Pada saat inilah gravitasi mulai bekerja dan mengakumulasikan atom-atom Hidrogen membentuk bintang pertama, yang mulai bersinar dalam 200 juta tahun pasca big bang.
Boson Higgs memperjelas proses big bang. Eksistensi boson Higgs menyebabkan kuark dan lepton bisa terbentuk, demikian halnya dengan foton superberat pengemban gaya penyatuan akbar. Keberadaan boson Higgs juga menjawab bagaimana gaya-gaya fundamental terbentuk dan bekerja hingga kini.

Sumber:http://www.suaramerdeka.com/v1/index.php/read/cetak/2012/07/16/192786/Menggemparkan-Penemuan-Partikel-Tuhan