Neutrino, Si Hantu Alam Semesta (Bagian 1)

Neutrino, Si Hantu Alam Semesta (Bagian 1)

Menyambung dari artikelku sebelumnya, tentang atom dan partikel, disini aku bakal bahas salah satu partikel yang kusebutkan sebelumnya di artikel sebelumnya, yaitu Neutrino. Kenapa neutrino sangat menarik untuk dibahas? Karena neutrino ini bisa dikatakan sebagai “hantu” karena hampir tidak bisa dideteksi dan hampir tidak berinteraksi dengan apapun, apalagi neutrino hampir tidak dapat dihentikan, untuk menghentikannya saja perlu timbal setebal jarak dari matahari ke bintang terdekat, alfa centauri. Sungguh lincah bukan? Bahkan ada jutaan neutrino sekarang yang sedang melewatimu. Ngga keliatan kan? Namanya juga makhluk gaib. Mari kita bahas.

baca juga: Benarkah Atom itu Partikel Paling Kecil?

Standart Model

Neutrino sendiri adalah bagian dari lepton, yang merupakan fermion, sehingga dia memiliki spin tengahan (-3/2,-1/2,1/2,3/2, dll). Namun sebelum membahas neutrinonya, kita perlu tau, bagaimana sih neutrino bisa dicetuskan. Jadi pada tahun 1930, pak Pauli mengamati proses radiaktif berupa peluruhan Beta. Dari hasil peluruhan berhasil memenuhi hukum kekekalan muatan, dimana muatan sebelum peluruhan dan setelah peluruhan adalah sama. Namun, hasil peluruhan ternyata tidak sesuai dengan hukum paling dasar dalam fisika, Hukum kekekalan energi. [1]

Gambar 1. Peluruhan Beta

Selama berkali-kali Pak Pauli mengamati peluruhan beta, hukum kekekalan energi selalu terlanggar. Namun, apakah mungkin hukum paling dasar yang telah menjelaskan semua permasalahan yang ada ini gagal? Tentu saja tidak, untuk mengatasinya, pak Pauli mengira-ngira “Pasti ada partikel lain yang belum kita deteksi yang membawa energi sisanya itu”. Namun partikel itu tidak mungkin bermuatan dan pastinya sangat kecil dan susah dideteksi, karena tidak dapat terbaca pada detektor yang ada saat itu. Pemasalahan lagi, ternyata peluruhan beta juga melanggar hukum kekekalan momentum sudut, dimana spin awal adalah neutron (tengahan) yang menjadi proton(tengahan) dan elektron(tengahan) yang totalnya adalah bulat, artinya neutrino itu pasti memiliki spin tengahan. [1]

Gambar 2. Skema Percobaan Reines-Cowan

Pada tahun 1956, Neutrino benar-benar terkonfirmasi oleh Pak Reines dan Pak Cowan menggunakan reaksi beta terbalik. Nah jadi, seperti sebelumnya, reaksi beta akan memancarkan neutrino (yang sebenarnya itu adalah antineutrino), nah ketika neutrino ini bertemu dengan proton, dia akan bereaksi dan proton dengan neutrino akan berubah menjadi neutron dan positron. Karena positron adalah antipartikel dari elektron, maka dengan cepat positron akan bertemu dengan elektron tadi dan akan saling melenyapkan memancarkan radiasi sinar gamma. Nah, sinar gamma ini akan terpancar separo-separo saling berlawanan dengan energi yang sama dengan massa elektron. Namun, Pak Reines dan pak Cowan tau kalo dengan mendeteksi sinar gamma ini gak akan membuktikan neutrino, lalu, dia memikirkan cara buat mendeteksi neutronnya. Maka, mereka membuat larudan kadmium klorida CdCl2 dalam air 200 liter. Kadmium adalah atom yang dapat menyerap neutron dengan mudah, nah Kadmium yang menangkap neutron ini menjadi tidak stabil dan akan meluruh menjadi sinar gamma. Dari sini terjadi jeda waktu antara sinar gamma yang dideteksi dari lenyapan elektron positron dengan sinar gamma peluruhan kadmium selama 0,000005 detik. Darisini dapat disimpulkan, bahwa jeda waktu ini karena memang ada reaksi dari neutrino tadi. Sehingga dapat disimpulkan bahwa neutrino benar-benar ada. Dari hasil eksperimen hanya dapat ditemukan 3 neutrino per jam saja, padahal sumber neutrinonya memancarkan 10000000000000 neutrino per centimeter luas pemukaan yang dilewati perdetik. Dari sebanyak itu hanya 3 perjam yang bisa dideteksi. Sungguh benar-benar hantu bukan? Dari hasil ini pak Reines dan Pak Cowan dianugerahi nobel tahun 1995.[2]

Namun percobaan mencari neutrino ngga berakhir sampai situ saja. Jadi, pada tahun 1965-an, Pak Davis, mencoba untuk mendeteksi neutrino lagi. Namun, neutrino yang bakal dia deteksi tidak dengan cara yang sama dengan pak Reines dan Pak Cowan yang berasal dari reaktor nuklir buatan. Namun, neutrino yang ingin dideteksi oleh pak Davis ini berasal dari reaktor nuklir terbesar di tata surya kita, yaitu matahari. Jadi eksperimen pak Davis ini dilakukan di tambang emas Homestake, makanya percobaannya kadang dinamakan percobaan Homestake.[3]

Gambar 3. Laboratorium Homestake

Pak Davis ini mengubur 100.000 galon tetrakloroetilena, yang merupakan cairan pembersih biasa sedalam 1500 meter didalam permukaan tanah. Kenapa dia mengubur dalam-dalam cairan itu? Karena pak Davis nggak mau kalo hasil eksperimennya terganggu sama radiasi sinar kosmik. Nah, kenapa pak davis mengambil cairan pembersih itu sebagai bahan eksperimennya, karena cairan pembersih itu memiliki banyak klorida, yang mana, ketika klorida berinteraksi dengan neutrino elektron, neutrino yang sama dengan pak Reines dan Cowan, maka klorida ini akan berubah menjadi Argon dan elektron.[3[ Nah, namun, lagi-lagi neutrino membuat ulah. Hasil neutrino yang dideteksi sama pak Davis ini tidak sesuai dengan teori yang dihitung oleh temannya, pak Bahcall dan ketidaksesuaiannya itu selalu konsisten. Hasil eksperimennya selalu menunjukkan bahwa energi neutrino yang dipancarkan matahari selalu sepertiga dari teori pak Bahcall. Permasalahan ini cukup menyulitkan sehingga dikatakan sebagai permasalahan neutrino matahari. Sangat menyulitkan karena kedua-duanya, pak Davis dan pak Bahcall eksperimen dan teorinya setelah diteliti berkali-kali, diulangi berkali-kali tidak ada kesalahan. Lalu siapa yang salah?

Gambar 4. Skema Percobaan Lederman-     Schwartz-Steinberger

Kemudian ada 3 fisikawan yang lagi-lagi mencoba untuk mencari tahu mengenai neutrino. Yaitu pak Lederman, Pak Swchwartz dan pak Steinberger.Mereka bereksperimen dengan partikel paling stabil dan paling mudah dimanipulasi, yaitu proton. Mereka menembakkan proton berenergi tinggi, yaitu dengan pemercepat ke sebuah target, berilium. Nah tumbukan proton cepat ini akan berubah menghasilkan sebuah meson, yaitu pi meson. (yang belum tau meson liat artikelku sebelumnya yaa). Nah, karena pi meson ini bermuatan, maka kita bisa memanipulasi arah gerak dari pi meson dengan menggunakan magnet. Nah, pi meson ini kita targetkan ke sebuah detektor, namun di depan detektor ditaruh baja yang cukup tebal. Karena pi meson ini tidak stabil, dalam perjalanannya, dia meluruh menjadi muon dan neutrino. Ketika melewati baja, muon tidaklah lincah, jadi dia terhenti di dalam baja, sedangkan si hantu, neutrino, dia dapat menembus baja dengan mudah, sehingga dia lewat dan terdeteksi di detektor. Cara cerdik 3 fisikawan untuk mendeteksi hantu ini dianugerahi nobel pada tahun 1988.[4]

Tapi ingat, ada perbedaan antara percobaan pak Cowan dan Reines dengn pak Lederman, Schwartz dan Steinberg. Perbedaannya adalah, pada percobaan pak Cowan dan Reines, neutrino yang dihasilkan muncul bersamaan dengan elektron, sedangkan percobaan pak Lederman, Schwarz dan Steinberger neutrinonya muncul bersamaan dengan muon, dan tidak ada elektron yang terlibat. Nah, Mereka bertiga menyimpulkan bahwa neutrino ini dia memiliki beberapa jenis. Untuk yang dari pak Cowan dan Reines disebut neutrino elektron, karena bersama dengan elektron. Sedangkan dari mereka bertiga disebut neutrino muon, karena bersama dengan muon. Namun, seperti yang ada di standard model, ada tiga lepton, yaitu elektron, muon, dan tau. Sehingga pasti ada neutrino tau. Pada tahun 1980-an di fermilab didapatkanlah si neutrino tau ini, sehingga lengkap sudah keluarga lepton yang sukar dicari itu.

Gambar 5. 3 Rasa Neutrino

Kembali ke permasalahan pak Davis. Error yang didapatkan pak Davis ini ternyata dapat dijelaskan dengan osilasi neutrino? Apa itu? Masalah ini kita bahas di artikel selanjutnya yaa.. Pak Koshiba lah yang menyatakan bahwa ketiga neutrino itu bisa berubah-ubah, sedangkan dari percobaan pak Davis hanya dapat mendeteksi satu saja, makanya hasilnya sepertiga. Dengan itu, pak Davis dan Pak Koshiba dianugerahi nobel 2002.

Nah, itu semua baru cara-cara buat mendeteksi neutrino aja. Saking hantunya neutrino, udah banyak fisikawan yang mendapatkan nobel dalam deteksi neutrino. Namun, apakah berhenti disitu kegilaan dari sifat “kehantuan” neutrino? Tentu saja tidak, masih banyak sifat hantu dari neutrino, yang bahkan sampai sekarang belum bisa dideteksi. Penasaran? Tunggu artikel selanjutnya yaa…

Referensi:

[1] Icecube. “All About Neutrinos What is this thing, anyways?”. https://icecube.wisc.edu/info/neutrinos
[2] Anderson, CE. “The Reines-Cowan Experiment : Detecting the Poltergetst”. 1997: The Los Alamos Science.
[3] Davis, R. “ A Review pf The Homestake Solar Neutrino Experiment: 1994: Progress in Particle Physics and Nuclear Physics, 32, 13-32 doi:10.1016/0146-6410(94)90004-3
[4] Anonim. “The Hunt of The Muon Neutrino.” 1998: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1988/9557-the-hunt-for-the-muon-neutrino/

Benarkah Atom itu Partikel Paling Kecil?

Benarkah Atom itu Partikel Paling Kecil?

Masih ingetkah sobat sama materi SMP-SMA ketika membahas tentang atom? Disana pasti dijelaskan kalau atom adalah partikel terkecil yang tidak bisa dibagi lagi. Tapi, benarkah begitu? Apakah atom tetap memiliki bagian lagi? Nah, sebelum kita membahas apa itu partikel terkecil, kita bahas dulu yuk bagaimana sih sejarah riset dari atom itu sendiri?

Pertama-tama, kita harus tahu nih, bagaimana sih nama “atom” itu muncul? Nah atom itu pertama dicetuskan sama orang kuno yang namanya Demokritus sob pada tahun 450 sebelum masehi. Nama atom sendiri berasal dari berasal dari bahasa daerahnya, bahasa Yunani “atomos” yang artinya tidak dapat dibagi lagi. Nah, jadi yang namanya atom adalah sesuatu yang tidak dapat dibagi itu adalah terjemahan dari namanya, bukan definisinya!. Nah kemudian kita lanjut ke 2 milenium setelahnya, yaitu sekitar abad ke 19. Nah disini ada seseorang yang nyoba eksperimen, namanya pak Thompson menggunakan yang namanya tabung sinar katoda. Apa sih itu? Cek gambar dibawah ini ya! Jadi, disini terdapat sebuah tabung yang isinya hampa, dibuat hampa biar ngga ada udara yang menghambat sinar nantinya, nah diujung-ujungnya (kiri) terdapat elektroda negatif(katoda) dan positif(anoda) yang dilubangi, kemudian kedua elektroda itu diberi tegangan tinggi, nah ketika diberi tegangan maka akan muncul sinar yang melewati lubang di katoda dan akan tertangkap di layar(ujung kanan). Nah masalahnya muncul nih jika di tengah tengah tabung diberi magnet dan pelat medan listrik, ternyata hasil percobaannya mengejutkan, sinarnya menjadi berubah arah. Berarti, sinar itu pasti bukan cahaya, karena cahaya ngga mungkin bermuatan kan, karena terpengaruh medan listrik sama magnetnya, artinya sinar itu adalah partikel yang bermuatan. Pertanyaannya partikel apa itu? Nah dari konsep dasar hukum magnet, dengan kaidah tangan kanan, Thompson mendapat kesimpulan kalau sinar katoda itu adalah partikel bermuatan negatif, disebutlah namanya elektron[1]. Dari sini, Thompson merevisi teori atom yang sudah ada, dan membuat model baru yaitu kalau di atom ternyata ada elektron yang menempel seperti onde-onde. Dan karena atom harus netral, maka atom memiliki partikel yang bermuatan positif juga buat menetralkan partikel baru dari sinar katoda yang dia temukan tadi, namun dia nggak tau partikel apa sih itu.

GambaeGambar 1. Tabung sinar katoda, alat eksperimen JJ Thompson.

                Nah, pak Thompson yang tadi memiliki sebuah mahasiswa yang namanya Rutherford. Pak Rutherford ini dia ikut meneliti tentang atom bersama pak Thompson. Nah, pak Rutherford ini bikin eksperimen baru, dia menyinari sebuah pelat emas dengan sinar alfa yang dihasilkan oleh sebuah unsur radioaktif. Eh, ternyata hasil eksperimennya sangat mengejutkan, kalau dari model model sebelumnya bahwa atom itu seperti onde-onde yang mana penuh dan tidak bolong, tapi dalam percobaan ternyata sinarnya lebih banyak yang terus daripada yang dibelokkan atau dipentalkan. Dari sini, pak Rutherford menyimpulkan kalau sebenarnya atom tidak benar-benar penuh, tapi ada ruang kosong yang cukup besar. Hasil eksperimen juga menunjukkan kalau banyak partikel yang terpental, artinya di atom itu pusatnya adalah sesuatu yang sangat berat dan sekelilingnya adalah ruang kosong, kemudian pak Rutherford “meminjam” model dari tata surya yang menyamakan atom dengan tata surya dimana dipusatnya adalah inti atom dan dikelilingi oleh elektron[1]. Karena intinya harus positif, maka dinamakan dengan proton.

Gambar 2. Skema percobaan Rutherford, menembakkan sinar alfa ke plat emas.

                Bertahun-tahun setelah penemuan inti atom Rutherford mencoba untuk mengukur massa proton untuk setiap unsur dan membandingkannya dengan massa proton yang dia ukur dari atom hidrogen, yaitu atom paling ringan. Namun, dia selalu gagal untuk atom yang bernomor massa tinggi, hasilnya hanya separonya dari teori yang dia dapatkan. Dari sini, pastinya ada partikel lain yang menemani proton di inti atom, dan massanya harus mirip dengan massa proton, tapi harus netral tidak bermuatan. Pada tahun 1932, mahasiswanya Rutherford, Chadwick menemukan yang namanya neutron yaitu partikel bermassa mirip dengan proton tapi tidak bermuatan[2].

Nah dari cerita sejarah diatas, pasti sobat sadar kalau atom bukanlah partikel terkecil. Lalu apakah partikel terkecil itu? Apakah proton, neutron, dan elektron? Atau ada yang lain? Jawabannya kita lihat gambar dibawah.

Gambar 3. Model Standar merupakan diagram partikel elementer.

                Dari gambar diatas, itu semua adalah partikel terkecil yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Tapi, kok banyak banget? Dan tidak ada yang namanya proton atau neutron di dalam tabel itu. Nah, jadi partikel terkecil (kadang disebut partikel elementer) dibagi menjadi dua, yaitu Fermion dan Boson. Totalnya ada 17. Untuk Fermion adalah partikel yang memiliki spin tengahan (-3/2,-1/2,1/2,3/2,dll) di bagian kiri (orange dan hijau) sedangkan Boson adalah partikel yang memiliki spin bulat (-1,0,1,2,dll) di bagian kanan (biru dan ungu). Kemudian Fermion ini dibagi menjadi dua nih, yaitu quark(orange)  dan lepton(hijau). Perbedaannya, kuark memiliki muatan pertigaan dari muatan elektron, yaitu e = 1,6 x 10^-19 C, (-2/3,-1/3,1/3,2/3, dll) sedangkan lepton memiliki muatan bulat (0 atau 1)[2].

Nah, di dalam lepton terdapat elektron. Sehingga, elektron termasuk dalam partikel yang tidak dapat dibagi lagi. Lalu, bagaimana dengan proton dan neutron? Proton dan neutron ini disebut dengan Barion yang artinya partikel komposit atau partikel hasil gabungan dari tiga kuark. Untuk proton adalah gabungan dari 2 kuark up dan 1 kuark down. Sedangkan untuk neutron adalah gabungan 2 kuark down dan 1 kuark up. Bisa dibuktikan sendiri kalau muatannya 1 untuk proton dan 0 untuk neutron. Adapula kpartikel komposit dari dua kuark, disebut meson. Contoh dari partikel meson cukup banyak, seperti: pi meson, lambda, sigma, dll[2].

Kemudian kita pindah ke boson. Boson dibagi menjadi dua, yaitu gauge boson dan higgs boson. Nah, dari kedua itu apa perbedaannya?

Gauge boson adalah partikel yang merupakan jembatan interaksi dari partikel-partikel fermion. Jadi istilahnya jika ada dua fermion berinteraksi, maka membutuhkan gauge boson untuk menjembataninya. Gauge boson terkadang disebut dengan pembawa gaya, karena memang gauge boson mediator gaya gaya fundamental. Ada 4 gaya fundamental di alam semesta, yaitu gaya elektromagnetik yang dimediasi oleh boson foton, gaya nuklir kuat yang dimediasi oleh gluon, gaya nuklir kuat inilah yang mengunci kuark-kuark sehingga dapat menyatu menjadi komposit. Gaya nuklir kuat ini juga mengikat inti sehingga tidak terlepas. Kemudian yang ketiga adalah gaya nuklir lemah yang dimediasi oleh boson W dan Z. Boson W dapat bermuatan +1 atau -1, sedangkan Z netral. Gaya nuklir lemah ini yang dapat menjelaskan proses peluruhan. Yang terakhir adalah gaya gravitasi. Namun sampai sekarang masih belum ditemukan partikel mediator dari gaya gravitasi. Ada hipotesis bahwa gaya gravitasi dimediasi oleh boson Graviton, namun belum terdapat bukti hasil eksperimen[2].

Yang terakhir adalah Higgs Boson, yang menjelaskan bagaimana interaksi terjadi. Perlu diingat, bahwa gauge boson sifatnya adalah mediasi, sehingga seharusnya partikel-partikel di gauge boson tidak memiliki massa. Ini benar untuk foton dan gluon, karena mereka berdua tidak memiliki massa. Namun, salah untuk boson W dan Z. Untuk menjelaskan mengapa W dan Z memiliki massa, Higgs boson lah yang bertanggung jawab terhadap massanya.

Gambar 4. Proses munculnya antipartikel akibat eksitasi partikel di lautan energi negatif.

                Pada tahun 1930an, Klein-Gordon dan Paul Dirac mencoba untuk menggabungkan fisika kuantum dengan teori relativitas khusus. Namun keduanya berujung pada sebuah masalah yang sama, yaitu terdapat solusi dari persamaan Klein-Gordon maupun persamaan Dirac yang mengharuskan partikel berenergi negatif. Maka dari itu, Dirac menginterpretasikan lautan energi negatif sebagai lautan untuk partikel berenergi negatif yang sudah dipenuhi keadaannya. Dari sini, apabila terdapat energi yang cukup dari luar menuju lautan energi negatif, maka akan mengeksitasi partikel ke tingkat energi positif, sehingga partikel yang keluar di energi positif adalah partikel nyata, sedangkan hole atau lubang yang kosong di lautan energi negatif yang ditinggal adalah antipartikel. Sehingga antipartikel dan partikel akan berlawanan muatan[3]. Setelah penjelasan dari Dirac ini, maka ditemukan pasangan partikel-antipartikel, sehingga total partikel fundamental adalah 17+17antipartikel.

Sehingga, dapat disimpulkan bahwa atom sebenarnya bukanlah partikel terkecil yang tidak dapat dibagi lagi. Atom hanyalah partikel terkecil yang menjadi pembeda suatu unsur dengan unsur yang lain. Partikel terkecil yang tidak dapat dibagi disebut dengan partikel elementer yang terdapat 17 dan 17 antipartikelnya.

Literatur:

[1] Kanginan, M. 2013. “Fisika untuk SMA/MA Kelas XII Kelompok Peminatan Matematika dan Ilmu Alam Berdasarkan Kurikulum 2013”. Jakarta: Erlangga.

[2] Beiser, A. 2003. “Concept of Modern Physics, Sixth Edition”. New York: Mc Graw Hill, Inc.

[3] Greiner,W. 1989. “Relativistic Quantum Mechanics Wave Equation, Third Edition”.Verlag: Springer.