Di abad ke-5 S.M., filsuf Yunani Demokritus berspekulasi bahwa seluruh materi disusun dari unit-unit fundamental yang sangat kecil sehingga tidak dapat terlihat oleh mata, yang ia namakan atom. Kata atom berasal dari bahasa Yunani yaitu atomos yang berarti tidak dapat dibagi-bagi lagi.
Namun, atom sesungguhnya dapat dibagi-bagi menjadi bagian yang lebih kecil, atom terdiri dari satu atau lebih elektron yang mengelilingi nukleus. Nukleus sendiri terdiri dari sekumpulan proton dan neutron. Apakah elektron, proton dan neutron merupakan struktur penyusun fundamental dari materi?
Kuark
Proton dan neutron memiliki struktur internal sehingga tidak bisa disebut sebagai partikel fundamental. Masing-masing proton atau neutron terdiri dari tiga kuark. Kuark adalah partikel fundamental yang eksistensinya ditemukan di tahun 1963 oleh Murray Gell-Mann dan George Zweig.
Gell-Mann mengambil nama kuark dari sebuah kalimat dalam buku Finnegans Wake yang ditulis oleh James Joyce, “Three quarks for Muster Mark”. Kuark terdiri dari tiga pasang, yaitu up dan down, top dan bottom serta strange dan charm. Massa dari sebuah kuark ditunjukkan dalam satuan GeV/c2, yaitu unit massa yang digunakan secara umum dalam fisika energi tinggi.
Keenam kuark masing-masing memiliki antikuark yang mendampinginya dengan massa yang sama namun muatan elektriknya berkebalikan. Antikuark ditulis dengan menambahkan garis bar di atas simbol kuarknya, contohnya pada kuark up, u, antipartikelnya ditulis ū (dibaca u-bar).
Kuark pertama kali dideteksi pada eksperimen hamburan yang sama seperti cara nukleus ditemukan dalam eksperimen Rutherford. Pada tahun 1968-1969, ilmuwan di Pusat Akselerator Linear Stanford (Stanford Linear Accelerator Center, SLAC) mempelajari efek hamburan elektron energi tinggi dari proton dan neutron. Eksperimen ini menunjukkan elektron terhambur dari objek mirip titik yang terletak di didalam setiap proton atau neutron.
Kumpulan pasangan kuark-antikuark disebut dengan meson, sedangkan kumpulan dari tiga kuark atau antikuark disebut dengan baryon. Baru-baru ini, jenis baru dari baryon yang disebut pentakuark telah ditemukan. Pentakuark adalah suatu sistem yang terdiri dari empat kuark dan satu antikuark (atau kebalikannya, satu kuark dan empat antikuark).
Secara kolektif, meson dan baryon disebut dengan hadron. Proton adalah sebuah baryon yang dibentuk dari dua kuark up dan satu kuark down (uud), sedangkan neutron adalah sebuah baryon yang terbentuk dari satu kuark up dan dua kuark down (udd).
Ratusan hadron telah diamati oleh para ilmuwan. Selain proton dan neutron, seluruh hadron yang telah diamati tersebut memiliki waktu paruh yang sangat pendek, kurang dari 0.1 mikrodetik. Neutron di dalam nukleus dapat menjadi stabil, namun neutron yang terisolasi meluruh dengan waktu paruh 10.2 menit menjadi proton, elektron, dan antineutrino. Sedangkan proton bersifat stabil, eskperimen telah menunjukkan bahwa jikalau proton tersebut tidak stabil, waktu paruhnya sangat lama, yaitu 1029 tahun.
Tabel partikel fundamental (atau bisa juga disebut dengan partikel elementer) dan antipartikelnya.
Tabel diatas mengelompokkan kuark ke dalam tiga generasi. Setiap generasi memiliki dua kuark, satu dengan muatan +2/3 e dan lainnya dengan muatan -1/3 e. Materi standar seperti contohnya proton dan neutron hanya terdiri dari kuark generasi pertama, yaitu up dan down.
Keenam lepton dan antipartikelnya dikelompokkan kedalam tiga generasi, sama seperti halnya kuark. Setiap generasi memiliki satu partikel dengan muatan –e dan satu neutrino yang tidak bermuatan. Massa lepton juga meningkat dari satu generasi ke generasi selanjutnya.
Sama seperti kuark, materi standar hanya mengandung lepton dari generasi pertama. Elektron adalah struktur penyusun paling dasar dari atom. Positron (e⁺) adalah antipartikel dari elektron dan dipancarkan dalam peluruhan β⁺ dari inti radioaktif, bersama-sama dengan elektron neutrino. Dalam peluruhan β⁻, selain elektron dipancarkan pula elektron antineutrino. Elektron neutrino dan antineutrino juga dihasilkan dalam reaksi fusi nuklir.
Berikut adalah sekilas penelitian neutrino yang dilakukan oleh Universitas Tokyo dan Institute for Cosmic Ray Research di Jepang:
Super-Kamiokande adalah observatorium neutrino bawah tanah terbesar di dunia yang terletak 1 km di bawah Gunung Ikenoyama, Jepang. Foto ini menunjukkan beberapa petugas yang sedang membersihkan tabung photomultiplier; seluruh tabung berjumlah 11.146 dan masing-masing berdiameter muka sebesar 50.8 cm. Tabung-tabung ini disusun rapi memenuhi dinding cylindrical inner detector .
Neutrino sulit untuk diamati karena ia dapat melewati materi dengan probabilitas yang kecil berinteraksi dengan apapun. Neutrino dahulu diprediksikan tidak memiliki massa, namun eksperimen terbaru menunjukkan bahwa neutrino sebenarnya memiliki massa. Dalam alam semesta jumlah neutrino lebih banyak dibandingkan dengan jumlah gabungan lepton-lepton lain dan kuark.
Muon dan tau bersifat tidak stabil; keduanya dianggap sebagai partikel fundamental atau elementer karena keduanya tidak memiliki struktur yang lebih kecil lagi. Neutrino dapat bertransformasi dari satu jenis neutrino ke jenis yang lain. Efek ini dinamakan osilasi neutrino (neutrino oscillation), yang menjelaskan mengapa jumlah elektron neutrino yang mencapai Bumi dari Matahari lebih kecil dari yang telah prediksikan, beberapa elektron neutrino bertransformasi kedalam muon atau tau neutrino sebelum mereka mencapai Bumi.
Diterjemahkan bebas dari buku College Physics :
Giambattista, Richardson, Richardson. 2007. College Physics second edition. New York:McGraw-Hill.
Foto:
http://www-tc.pbs.org/wgbh/nova/
http://science.compulenta.ru/
Sumber: Netsains.com
Namun, atom sesungguhnya dapat dibagi-bagi menjadi bagian yang lebih kecil, atom terdiri dari satu atau lebih elektron yang mengelilingi nukleus. Nukleus sendiri terdiri dari sekumpulan proton dan neutron. Apakah elektron, proton dan neutron merupakan struktur penyusun fundamental dari materi?
Kuark
Proton dan neutron memiliki struktur internal sehingga tidak bisa disebut sebagai partikel fundamental. Masing-masing proton atau neutron terdiri dari tiga kuark. Kuark adalah partikel fundamental yang eksistensinya ditemukan di tahun 1963 oleh Murray Gell-Mann dan George Zweig.
Gell-Mann mengambil nama kuark dari sebuah kalimat dalam buku Finnegans Wake yang ditulis oleh James Joyce, “Three quarks for Muster Mark”. Kuark terdiri dari tiga pasang, yaitu up dan down, top dan bottom serta strange dan charm. Massa dari sebuah kuark ditunjukkan dalam satuan GeV/c2, yaitu unit massa yang digunakan secara umum dalam fisika energi tinggi.
Keenam kuark masing-masing memiliki antikuark yang mendampinginya dengan massa yang sama namun muatan elektriknya berkebalikan. Antikuark ditulis dengan menambahkan garis bar di atas simbol kuarknya, contohnya pada kuark up, u, antipartikelnya ditulis ū (dibaca u-bar).
Kuark pertama kali dideteksi pada eksperimen hamburan yang sama seperti cara nukleus ditemukan dalam eksperimen Rutherford. Pada tahun 1968-1969, ilmuwan di Pusat Akselerator Linear Stanford (Stanford Linear Accelerator Center, SLAC) mempelajari efek hamburan elektron energi tinggi dari proton dan neutron. Eksperimen ini menunjukkan elektron terhambur dari objek mirip titik yang terletak di didalam setiap proton atau neutron.
Kumpulan pasangan kuark-antikuark disebut dengan meson, sedangkan kumpulan dari tiga kuark atau antikuark disebut dengan baryon. Baru-baru ini, jenis baru dari baryon yang disebut pentakuark telah ditemukan. Pentakuark adalah suatu sistem yang terdiri dari empat kuark dan satu antikuark (atau kebalikannya, satu kuark dan empat antikuark).
Secara kolektif, meson dan baryon disebut dengan hadron. Proton adalah sebuah baryon yang dibentuk dari dua kuark up dan satu kuark down (uud), sedangkan neutron adalah sebuah baryon yang terbentuk dari satu kuark up dan dua kuark down (udd).
Ratusan hadron telah diamati oleh para ilmuwan. Selain proton dan neutron, seluruh hadron yang telah diamati tersebut memiliki waktu paruh yang sangat pendek, kurang dari 0.1 mikrodetik. Neutron di dalam nukleus dapat menjadi stabil, namun neutron yang terisolasi meluruh dengan waktu paruh 10.2 menit menjadi proton, elektron, dan antineutrino. Sedangkan proton bersifat stabil, eskperimen telah menunjukkan bahwa jikalau proton tersebut tidak stabil, waktu paruhnya sangat lama, yaitu 1029 tahun.
Tabel partikel fundamental (atau bisa juga disebut dengan partikel elementer) dan antipartikelnya.
Tabel diatas mengelompokkan kuark ke dalam tiga generasi. Setiap generasi memiliki dua kuark, satu dengan muatan +2/3 e dan lainnya dengan muatan -1/3 e. Materi standar seperti contohnya proton dan neutron hanya terdiri dari kuark generasi pertama, yaitu up dan down.
Lepton
Apabila sebelumnya telah dijelaskan bahwa proton dan neutron tersusun dari sekumpulan kuark, tidak ada satu eksperimen pun yang menunjukkan bahwa elektron memiliki struktur internal. Elektron termasuk ke dalam kelompok partikel fundamental lain yang bernama lepton.Keenam lepton dan antipartikelnya dikelompokkan kedalam tiga generasi, sama seperti halnya kuark. Setiap generasi memiliki satu partikel dengan muatan –e dan satu neutrino yang tidak bermuatan. Massa lepton juga meningkat dari satu generasi ke generasi selanjutnya.
Sama seperti kuark, materi standar hanya mengandung lepton dari generasi pertama. Elektron adalah struktur penyusun paling dasar dari atom. Positron (e⁺) adalah antipartikel dari elektron dan dipancarkan dalam peluruhan β⁺ dari inti radioaktif, bersama-sama dengan elektron neutrino. Dalam peluruhan β⁻, selain elektron dipancarkan pula elektron antineutrino. Elektron neutrino dan antineutrino juga dihasilkan dalam reaksi fusi nuklir.
Berikut adalah sekilas penelitian neutrino yang dilakukan oleh Universitas Tokyo dan Institute for Cosmic Ray Research di Jepang:
Super-Kamiokande adalah observatorium neutrino bawah tanah terbesar di dunia yang terletak 1 km di bawah Gunung Ikenoyama, Jepang. Foto ini menunjukkan beberapa petugas yang sedang membersihkan tabung photomultiplier; seluruh tabung berjumlah 11.146 dan masing-masing berdiameter muka sebesar 50.8 cm. Tabung-tabung ini disusun rapi memenuhi dinding cylindrical inner detector .
Saat dioperasikan, inner detector ini diisi dengan 50.000 ton air ultramurni. Ketika partikel bermuatan bergerak melintasi air dengan kecepatan yang lebih besar dari kecepatan cahaya dalam air, partikel tersebut memancarkan sinar Cherenkov yang dideteksi oleh tabung-tabung photomultiplier. Di tahun 1998, kolaborasi Super-Kamiokande mengumumkan kesimpulan pengamatan eksperimennya untuk nonzero neutrino masses.
Neutrino sulit untuk diamati karena ia dapat melewati materi dengan probabilitas yang kecil berinteraksi dengan apapun. Neutrino dahulu diprediksikan tidak memiliki massa, namun eksperimen terbaru menunjukkan bahwa neutrino sebenarnya memiliki massa. Dalam alam semesta jumlah neutrino lebih banyak dibandingkan dengan jumlah gabungan lepton-lepton lain dan kuark.
Muon dan tau bersifat tidak stabil; keduanya dianggap sebagai partikel fundamental atau elementer karena keduanya tidak memiliki struktur yang lebih kecil lagi. Neutrino dapat bertransformasi dari satu jenis neutrino ke jenis yang lain. Efek ini dinamakan osilasi neutrino (neutrino oscillation), yang menjelaskan mengapa jumlah elektron neutrino yang mencapai Bumi dari Matahari lebih kecil dari yang telah prediksikan, beberapa elektron neutrino bertransformasi kedalam muon atau tau neutrino sebelum mereka mencapai Bumi.
Diterjemahkan bebas dari buku College Physics :
Giambattista, Richardson, Richardson. 2007. College Physics second edition. New York:McGraw-Hill.
Foto:
http://www-tc.pbs.org/wgbh/nova/
http://science.compulenta.ru/
Sumber: Netsains.com
Tidak ada komentar:
Posting Komentar