Setelah sebelumnya kita telah menyajikan artikel tentang model standar dari fisika partikel dimana membahas tentang partikel-partikel fundamental di alam, termasuk menyinggung sedikit tentang empat interaksi mendasar yang mempengaruhi semua materi. Pada bagian ini empat interaksi, atau gaya fundamental, akan dijelaskan lebih lanjut. Bagian pertama kita kaji lebih jauh mengenai gaya gravitasi dan gaya elektromagnetik. Bagian kedua kita akan kaji tentang gaya fundamental lainnya yaitu Gaya Lemah dan Gaya Kuat.
Gaya Lemah (Gaya Nuklir Lemah)
Tahun 1930-an para fisikawan telah menyadari tentang terdapatnya sebuah gaya di dalam inti atom yang memainkan peran terhadap jenis radioaktivitas tertentu yang digolongkan bersama sebagai peluruhan beta. Contoh khas peluruhan beta terjadi ketika neutron “berubah” menjadi proton. Gaya yang mendasari proses ini dikenal sebagai gaya lemah.
Teori unifikasi untuk gaya lemah adalah teori elektroweak yang menggabungkan teori medan kuantum elektromagnetisme (kuantum elektrodinamika) dan gaya lemah. Teori ini memperlakukan gaya lemah dan gaya elektromagnetik pada tempat yang sama dengan menganggap keduanya sebagai bentuk yang berbeda dari gaya elektroweak, analogi yang sama dengan listrik dan magnet yang muncul sebagai bagian yang berbeda dari gaya elektromagnetik.
Teori electroweak membutuhkan empat boson gauge (empat partikel kurir), salah satunya adalah foton elektromagnetisme. Tiga lainnya terlibat dalam reaksi yang terjadi melalui gaya lemah. Boson gauge untuk gaya lemah ini terdiri dari dua versi, bermuatan yang disebut W+ dan W−, dimana ± menunjukkan muatan, dan netral yang disebut Z0, di mana nol sebagai tanpa muatan. Seperti foton, partikel W dan Z memiliki bilangan kuantum spin 1; bedanya mereka sangat besar. Partikel W memiliki massa sekitar 80,4 GeV, sedangkan massa partikel Z0 adalah 91,187 GeV. Sebagai perbandingan, massa proton adalah 0,94 GeV, atau sekitar seperseratus dari partikel Z.
Partikel W bermuatan bertugas untuk proses seperti pada peluruhan beta, di mana muatan partikel yang berperan berpindah tangan. Misalnya, ketika neutron (netral) berubah menjadi proton (positif), ia memancarkan W−; dengan demikian, muatan keseluruhan tetap nol sebelum dan sesudah proses peluruhan. Partikel W yang terlibat dalam proses ini adalah partikel virtual. Karena massanya jauh lebih besar daripada neutron, sehingga satu-satunya cara agar partikel virtual ini dapat dipancarkan oleh neutron ringan adalah keberadaannya harus singkat, seperti dalam persyaratan prinsip ketidakpastian. Pada dasarnya, W− segera berubah menjadi elektron dan antineutrino, partikel yang diamati di laboratorium sebagai produk peluruhan beta neutron. Partikel Z dipertukarkan dalam reaksi serupa yang tidak melibatkan perubahan muatan.
Dalam kehidupan sehari-hari gaya lemah lebih lemah dari gaya elektromagnetik tetapi lebih kuat dari gaya gravitasi. Namun jangkauannya sangat pendek diakibatkan karena sejumlah besar energi yang dibutuhkan untuk menciptakan massa yang besar seperti partikel W dan Z, prinsip ketidakpastian memastikan bahwa boson gauge lemah tidak dapat dipinjam atau dipertukarkan lama, yang membatasi rentang gaya untuk jarak kurang dari 10−17 meter . Gaya lemah antara dua proton dalam nukleus hanya 10−7 dari kekuatan gaya elektromagnetik. Akan tetapi, ketika teori elektroweak mengungkapkan dan ketika eksperimen mengkonfirmasi, gaya lemah ini menjadi lebih kuat secara efektif ketika energi dari partikel yang bekerja meningkat. Ketika energi mencapai 100 GeV atau lebih, kira-kira energi yang setara dengan massa partikel W dan Z, kekuatan gaya lemah menjadi sebanding dengan gaya elektromagnetik. Ini berarti bahwa reaksi yang melibatkan pertukaran Z0 menjadi sama dengan reaksi pertukaran foton. Selain itu, pada energi ini, partikel W dan Z nyata dan dapat dibuat dalam reaksi, yang berlawanan dengan partikel virtual.
Berbeda dengan foton, yang stabil dan pada prinsipnya dapat ada selamanya, boson gauge lemah yang berat meluruh menjadi partikel yang lebih ringan dalam waktu yang sangat singkat sekitar 10−25 detik. Ini kira-kira satu juta juta kali lebih pendek daripada yang dapat diukur oleh eksperimen secara langsung, tetapi fisikawan dapat mendeteksi partikel yang menjadi partikel W dan Z yang meluruh dan dengan demikian dapat menyimpulkan keberadaannya.
Gaya lemah mengubah satu jenis quark menjadi jenis yang lain. Dengan demikian gaya inilah yang menyebabkan sebuah proton dapat berubah menjadi neutron dengan berubahnya sebuah quark atas menjadi quark bawah, dan begitu juga sebaliknya: neutron berubah menjadi proton karena sebuah quark bawah berubah menjadi quark atas. Karena gaya ini bertanggung jawab terhadap perubahan dalam inti atom, maka gaya lemah menjelaskan fenomena radioaktivitas dan peluruhan.
Gaya Kuat (Gaya Nuklir Kuat)
Gaya kuat adalah yang terkuat dari semua interaksi fundamental, tetapi layaknya gaya lemah, jaraknya pendek dan tidak melampaui jarak nuklir sekitar 10−15 meter atau lebih. Di dalam nukleus atau di dalam proton dan partikel lain yang dibangun dari quark, gaya kuat berperan penting, antara quark di proton, bisa hampir 100 kali lebih kuat dari gaya elektromagnetik, tergantung pada jarak antara quark.
Selama tahun 1970-an fisikawan mengembangkan teori untuk gaya kuat yang hampir sama denga struktur elektrodinamika kuantum. Dalam teori ini quark terikat bersama dalam proton dan neutron dengan saling memberikan boson gauge yang disebut gluon. Quark membawa sifat yang disebut "warna/color" analoginya yang sama dengan muatan listrik. Sama seperti partikel bermuatan listrik mengalami gaya elektromagnetik dan bertukar foton, partikel yang bermuatan warna atau berwarna merasakan kekuatan yang kuat dan bertukar gluon. Sifat warna ini memunculkan teori gaya kuat: kromodinamik kuantum.
Gluon tidak bermassa dan memiliki jumlah spin kuantum 1. Sangat mirip foton, yang membedakan adalah foton tidak berinteraksi di antara foton itu sendiri karena mereka tidak bermuatan listrik, gluon membawa muatan warna. Ini berarti bahwa gluon dapat berinteraksi satu sama lain, akibatnya gluon membatasi gluon yang lain dan quark di dalam proton atau partikel lain.
Ada tiga jenis muatan warna, yang disebut merah, hijau, dan biru, namun tidak ada hubungan antara muatan warna quark dan muatan warna gluon. Quark masing-masing membawa muatan warna tunggal, sementara gluon membawa muatan warna dan anticolour atau antiwarna.
Gaya yang kuat bertugas sedemikian rupa sehingga quark dengan warna berbeda tertarik satu sama lain; dengan demikian, merah menarik hijau, biru menarik merah, dan seterusnya. Disisi lain quark dengan warna yang sama, saling tolak. Caranya adalah quark menggabungkan partikel dengan menjadikan muatan warna bersih atau putih yang bernilai nol. Dalam partikel yang mengandung tiga quark, seperti proton, ini dicapai dengan menambahkan merah, biru, dan hijau. Kasus lain sebagai alternative ketika quark diamati dalam partikel yang disebut meson, untuk quark yang berpasangan dengan antiquark = warna dasar yang sama. Dalam hal ini warna quark dan antiwarna antiquark saling menghapuskan. Kombinasi tiga quark atau tiga antiquark atau pasangan quark-antiquark adalah satu-satunya kombinasi yang tampaknya diizinkan oleh gaya kuat.
Batasan bahwa hanya benda tak berwarna yang dapat muncul di alam tampaknya membatasi upaya untuk mengamati quark tunggal dan gluon bebas. Meskipun quark dapat memancarkan gluon sungguhan seperti halnya elektron dapat memancarkan foton sungguhan, gluon tidak pernah muncul dengan sendirinya ke lingkungan. Sebaliknya, entah bagaimana ia menciptakan tambahan, quark, dan antiquark tambahan dari energinya sendiri dan terwujud sebagai partikel normal yang dibangun dari quark. Demikian pula, tampak bahwa gaya kuat membuat quark terbatas secara permanen dalam partikel yang lebih besar. Upaya untuk menjatuhkan quark dari proton misalnya dengan “mengetuk” proton bersama dengan energi tinggi hanya berhasil menciptakan lebih banyak partikel yaitu, dalam melepaskan quark baru dan antiquark yang terikat bersama dan mereka sendiri dibatasi oleh gaya yang kuat.
Gaya paling kuat di alam semesta, gaya kuat, adalah gaya yang menjaga proton dan neutron tetap saling menyatu membentuk inti atom. Proton dan elektron bermuatan masing-masing positif dan negatif. Muatan yang berbeda akan tarik-menarik, sementara muatan yang sama akan saling tolak-menolak. Semakin kecil jarak antara keduanya, semakin besar gaya tolak-menolak maupun tarik-menariknya. Dalam inti atom, sejumlah proton berkumpul bersama dalam jarak yang sangat dekat, dan dengan demikian menghasilkan gaya tolak yang luar biasa kuat. Namun mengapa inti atom tidak tercerai-berai? Jawabannya adalah karena ada gaya yang lebih kuat lagi yang menjaga inti atom tetap menyatu, yaitu gaya kuat. Gaya ini hanya bekerja efektif dalam skala subatomik dan lebih jauh itu kekuatannya berkurang jauh dan kalah kuat oleh gaya-gaya lain yang bekerja lebih baik pada jarak yang lebih besar. Oleh karena itu gaya kuat hanya dialami oleh quark.
Generasi saat ini, diwarisi hak istimewa dengan anugerah ditemukannya seluk-beluk rancangan Allat swt. atas alam semsesta
Abdus Salam
Sumber Pustaka
"semoga artikel ini bermanfaat dan menambah wawasan kita semua. sampai jumpa di artikel-artikel berikutnya"