FISIKA ENERGI TINGGI
Mungkin kamu pernah mendengar mengenai spin, atau bahkan kamu pernah mempelajarinya di kelas. Dalam fisika/kimia kuantum, spin sering digambarkan sebagai bilangan yang menyatakan momentum sudut suatu partikel dimana suatu elektron dapat mempunyai bilangan kuantum putaran magnetik +½ atau -½.
Namun, nyatanya spin bukan putaran magnetik. Sebuah partikel titik tidak dapat memiliki sumbu yang tetap, bahkan partikel tidak dapat berotasi. Loh, jadi spin itu apa? Kok disebut spin?
Spin memberitahu bagaimana sebuah partikel terlihat dari berbagai arah. Untuk memahami spin, kamu bisa membayangkan dua buah benda: bola dan kartu.
Jika kamu memutar sebuah bola ke arah manapun, bola selalu akan terlihat sama/ seperti keadaan semula. Ini yang disebut dengan spin 0 (nol).
Sekarang bandingkan dengan jika kamu memutar sebuah kartu sejajar bidang, kartu hanya akan terlihat seperti keadaan semula jika kamu memutar kartu sebanyak satu putaran (360 derajat). Ini yang disebut dengan spin 1 (satu).
Lalu sekarang coba jika kamu membalik kartu tersebut, kartu hanya akan terlihat seperti keadaan semula jika kamu membalik kartu tersebut dua kali. Ini yang disebut dengan spin 2 (dua).
Kalau untuk spin ½ bagaiamana?
Sebenarnya partikel dengan spin ½ itu berperilaku seperti spin 1 pada energi tinggi, namun partikelnya berperilaku berbeda pada energi rendah. Kenapa bisa begitu ya? Nah, untuk memahami hal ini, kita perlu memahami Teori Dirac terlebih dahulu.
TEORI DIRAC
Teori Dirac memprediksi 2 hal:
- Elektron memiliki spin ½
- Elektron berpasangan dengan anti-elektron/ positron, yang bisa saling memusnahkan
Partikel zat memancarkan partikel pembawa gaya yang mengubah kecepatan partikel zat.
Partikel pembawa gaya ini tidak menuruti asas larangan (tidak ada batas jumlah yang bisa ditukar). Kalau massa besar, pertukaran partikel pembawa gaya sukar terjadi (jangkauan pendek). Sebaliknya kalau massa kecil, pertukaran partikel mudah (jangkauan jauh).
Pertukaran partikel pembawa gaya ini disebut partikel virtual. Sebenarnya kita belum bisa mendeteksi pertukaran partikel ini, tapi kita bisa tahu lewat gaya antar partikel zatnya: gelombang.
Iya, jadi gelombang itu adalah hasil pertukaran partikel pembawa gaya yang membentuk partikel kembali ke keadaan semula (spin 1 atau 2), misalnya pada gaya listrik tolak-menolak antar elektron yang menghasilkan foton (gelombang cahaya).
Kalau begitu berarti semua gaya punya gelombang dan spin? Yap, benar!
Keempat gaya fundamental (gravitasi, elektromagnetik, nuklir lemah, nuklir kuat) punya partikel zatnya masing-masing.
Pada gaya gravitasi (gaya terlemah), terdapat graviton dengan spin 2. Pertukaran graviton antara Matahari dan Bumi ini yang menyebabkan Bumi mengorbit Matahari. Sayangnya, gelombang gravitasi juga belum pernah terdeteksi karena sangat lemah.
Kalau pada gaya elektromagnetik, terdapat foton dengan spin 1. Karena gaya elektromagnetik terdiri dari muatan positif dan negatif, maka gaya tarik dan tolak antara Matahari dan Bumi saling meniadakan sehingga tidak ada gaya elektromagnetik. Tapi pada skala kuantum, gaya ini sangat besar, bahkan jauh lebih besar dari gravitasi. Kenapa? Karena ada deeksitasi elektron yang melepas foton.
Nah, uniknya pada gaya nuklir lemah justru ditemukan 37 keadaan yang berbeda-beda. Permasalahan ini kemudian dipecahkan dalam teori spontaneous symmetry breaking, yang menyatakan bahwa partikel-partikel yang terlihat sangat berbeda ini sebenarnya adalah partikel yang sama jika dilihat pada energi tinggi, namun simetri partikel pecah ketika mencapai energi yang rendah.
Teori ini kemudian dibuktikan di CERN pada tahun 1983 dengan penemuan tiga partikel masif:
W+, W-, Z⁰
dengan energi akselerator mencapai 100 GeV. Akibat adanya perbedaan level energi ini, maka partikel dinyatakan memiliki spin ½.
Lalu pada gaya nuklir kuat, terdapat gluon dengan spin 1. Gluon adalah partikel yang mengikat proton dengan neutron di inti atom serta hanya berinteraksi dengan dirinya sendiri dan quark. Gluon memiliki sifat unik yaitu “confinement” (mengikat). Misalnya, satu partikel gluon terdiri dari ikatan:
“merah + biru = putih”
yang membentuk satu triplet quark menjadi satu proton/ neutron.
Oh ya, perlu diingat bahwa label warna di sini hanyalah cara penamaan quark saja, partikel tidak dapat memiliki warna.
Ada juga pasangan quark dan antiquark, misalnya:
“merah + antimerah = putih”
yang disebut meson. Partikel ini sangat tidak stabil karena bisa saling meniadakan.
Gluon-gluon ini selalu membentuk kumpulan partikel tidak stabil yang dinamakan glueball, karena itu kita tidak bisa mengamati satu gluon secara terisolasi. Tetapi, ada satu teori yang mampu menjelaskan keberadaan gluon ini, yaitu
Grand Unification Theory (GUT)
Teori ini menyatakan bahwa pada keadaan energi tinggi, gaya nuklir kuat akan jadi jauh lebih lemah hingga gluon bisa berperilaku seperti partikel bebas. Ide pokok dari pemikiran ini adalah pada suatu tingkat energi tinggi maka gaya elektromagnetik, nuklir lemah, dan nuklir kuat (gravitasi diabaikan karena terlalu lemah) akan punya kekuatan yang sama dan bisa dinyatakan sebagai satu kesatuan gaya yang sama.
Artinya, ada suatu kondisi pada tingkat energi tertinggi dimana semua jenis partikel akan selalu terlihat dalam keadaan yang sama dari berbagai arah tanpa adanya spin. Konsekuensinya, proton bisa meluruh secara spontan menjadi antielektron seperti pada masa awal pembentukan alam semesta.
Dengan kata lain, eksistensi kita adalah suatu konsekuensi dari kondisi ini.
Nah, bagaimana? Sudah paham apa itu spin?
Semoga membantu dan bermanfaat ya!
Daftar Pustaka
Hawking, Stephen, (1988). A Brief History of Time. New York: Bantam Books.
Menekuni bidang sains atmosfer. Tertarik dengan eksplorasi ruang angkasa, kosmologi, biologi evolusioner, penalaran sains, etika dan filosofi.