Perburuan Terakhir Model Standar

Hans J Wospakrik (Fisika ITB)

TEMUAN bukti kehadiran partikel kuark top pada bulan April tahun 1994 di laboratorium pemercepat partikel Fermilab, Batavia, dekat Chicago (AS) yang kemudian dikonfirmasikan setahun sesudahnya sungguh melegakan. Temuan ini membenarkan ramalan teori elektro-lemah standar yang berhasil memadukan interaksi elektromagnet dan interaksi lemah sebagai dua sisi dari sebuah interaksi alam tunggal: elektro-lemah. Kini tersisa satu lagi ujian terakhir bagi teori ini, menemukan partikel Higgs yang diramalkannya.

DARI kedua interaksi alam ini -- elektromagnet dan lemah -- mungkin elektromagnet tidaklah asing bagi kita. Elektromagnet pada dasarnya merupakan paduan interaksi listrik dan magnet yang sepintas lalu tampak tak saling berkaitan. Interaksi listrik bekerja antara muatan listrik yang diam, sedangkan rekannya antara muatan yang bergerak.

TEORI elektromagnet merupakan karya fisikawan teori Skotlandia, James Clerk Maxwell (1831-1879), yang diumumkannya pada tahun 1865. Dengan itu, ia tunjukkan bahwa cahaya pada hakikatnya adalah gejala keelektromagnetan belaka. Juga ia ramalkan kehadiran gelombang radio, yang kini akrab dalam kehidupan sehari-hari kita.

Dari segi arsitektur bangunan zat, interaksi elektromagnetlah yang bertanggung jawab mengikatkan elektron-elektron pada inti atom dalam sebuah atom zat. Interaksi ini yang menyebabkan atom memancarkan cahaya tampak dengan beraneka macam warna (spektrum), ketika elektron tertarik mendekati inti atom.

Jangkauan interaksi elektromagnet tak terbatas, sedangkan interaksi lemah terbatasi sejauh jejari inti atom. Interaksi yang kedua ini disebut lemah karena pada jarak ini, kekuatannya memang sangat lemah, sekitar satu per seratus milyar kali interaksi elektromagnet. Walaupun demikian, pengaruhnya cukup mencolok: sebagai penyebab transmutasi sebuah inti atom bernomor atom rendah menjadi unsur baru bernomor atom tinggi, atau sebaliknya, seraya memancarkan sinar radioaktif beta.

Rumusan teori interaksi lemah pertama kali diajukan oleh fisikawan teori-eksperimen Italia, Enrico Fermi (1901-1954), pada tahun 1933. Interaksi ini bekerja antara partikel penyusun inti atom, yakni proton (bermuatan listrik positif) dan neutron (bermuatan netral), serta antara elektron (bermuatan negatif) dan neutrino (bermuatan netral). Dalam bahasa Italia, neutrino berarti "si netral kecil", karena memang massa atau beratnya secara praktis adalah nol. Bila massa elektron diambil sebagai pembanding, berat proton dan neutron sekitar 2.000 kali berat elektron.

Pada peristiwa pemancaran sinar beta, yang terjadi adalah sebuah neutron berubah menjadi sebuah proton dengan memancarkan sinar beta yang terdiri atas elektron dan (anti)neutrino. Karena nomor atom mencatat jumlah proton dalam inti atom, dapatlah dipahami, perubahan nomor atom berkaitan dengan bertambah atau berkurangnya jumlah proton yang dikandung inti atom pemancar sinar beta.

Medan tera

Menurut teori medan kuantum, interaksi dua partikel berlangsung melalui pertukaran partikel perantara interaksinya. Ini seibarat dua anak kecil yang bermain riang dengan melempar-tangkapi sebuah bola. Semakin ringan bola, semakin jauh jarak lemparannya; sebaliknya, semakin berat bola, semakin pendek jarak lemparannya.

Untuk interaksi elektromagnet, partikel perantaranya disebut foton. Karena jangkauannya tak terbatas, maka sejalan dengan kias bola tadi, massa foton adalah nol. Sebaliknya, karena jangkauan interaksi lemah sangat pendek, maka massa partikel perantaranya sangat besar, sekitar 80 kali massa proton. Partikel perantara ini dinamai boson-vektor W (untuk weak: lemah). Gagasan partikel perantara W ini dikemukakan oleh fisikawan Swedia, Oscar Klein, pada tahun 1938.

Karena muatan listrik partikel yang berinteraksi secara elektromagnet tidak berubah, maka foton tak bermuatan listrik. Sebaliknya, pada pemancaran sinar beta, yang dikendalikan oleh interaksi lemah, inti atom berubah nomor atom, berubah muatan listrik. Ini berarti, partikel W bermuatan listrik positif maupun negatif, yang berturut-turut disebut W⁺, dan W^-.

Baik partikel W maupun foton, ketiga-tiganya tergolong keluarga partikel boson vektor. Karena foton secara tunggal terumuskan melalui teori elektromagnet Maxwell, direka bahwa partikel W pun demikian. Memadukan kedua partikel W ini ke dalam satu rumusan teori medan semirip elektromagnet ternyata tidaklah semudah yang diperkirakan.

Upaya ini barulah membuahkan hasil pada tahun 1954 lewat tangan fisikawan AS keturunan Cina, Chen Ning Yang (1922-...) beserta rekannya, Robert Mills. Dalam rumusan ini, partikel perantara B, semirip W, tersusun dalam suatu pernyataan matriks, yakni suatu susunan petak bilangan persegi. Untuk rumusan dengan matriks petak 2x2, medan boson vektornya paling sedikit berjumlah 3 buah: B⁺, B^-, dan B⁰. Teori ini kemudian dikenal sebagai teori medan Yang-Mills.

Baik teori medan elektromagnet maupun Yang-Mills, kedua-duanya memiliki sifat kesetangkupan tera (gauge symmetry) yang berarti, interaksi sistemnya tak-ubah terhadap alih-ragam tera (gauge transformation) medan foton, B, dan partikel yang berinteraksi. Ditilik dari sifat ini, kedua teori medan ini digolongkan dalam teori medan tera (gauge field theory). Kini dipahami, setiap interaksi alam diperantarai oleh suatu medan tera.

Kesetangkupan tera ini ternyata menuntut berlebihan: baik foton maupun semua partikel B haruslah tak bermassa. Mengecewakan, sebab partikel B diinginkan dapat pula bermassa.

Teori Glashow

Upaya memadukan interaksi elektromagnet dan lemah melalui gabungan teori medan elektromagnet dan Yang-Mills pertama kali secara berhasil dirumuskan oleh fisikawan teori AS, Sheldon Glashow (1932-...), pada tahun 1961. Dalam teorinya ini, Glashow sengaja melanggar kesetangkupan tera dengan memaksa foton dan ketiga partikel B medan Yang-Mills memiliki massa tak nol.

Selanjutnya, untuk mencirikan interaksi elektromagnet, ia padukan medan foton khayal bermassa dan komponen medan B netral tadi ke dalam suatu rumusan baru yang menghadirkan foton nyata bermassa nol, dan suatu medan atau partikel netral baru, yang diberi nama Z. Partikel Z ini ternyata sedikit lebih berat daripada kedua rekannya, B⁺ dan B^- yang -- diidentikkan dengan W⁺ dan W^- -- sekitar 90 kali massa proton. Kehadirannya memperantarai suatu jenis interaksi lemah baru yang tak mengubah muatan listrik disebut interaksi arus-netral.

Teori ini rupanya tak menarik perhatian karena interaksi arus- netral pada saat itu belum teramati. Selain itu, teorinya mengandung cacat tak ternormal-ulangkan (unrenormalizable). Ini berkaitan dengan bencana koreksi interaksi-diri (self-interaction), yang meramalkan nilai koreksi tak hingga. Suatu hasil yang tak masuk akal sebab, sebuah koreksi haruslah lebih kecil. Untuk teori yang ternormal-ulangkan, seperti elektromagnet, bencana ini teratasi dengan kiat penormal-ulangan (renormalization).

Cacat tak ternormal-ulangkan ini tampaknya berkaitan erat dengan rusaknya kesetangkupan tera yang dimiliki teori ini bila partikel W dan Z bermassa. Teori elektromagnet memiliki sifat kesetangkupan tera ini sebab foton tak bermassa.

Mekanisme Higgs

Jalan menuju rumusan teori medan tera bermassa tanpa merusaki sifat kesetangkupan tera akhirnya tersibak lewat karya fisikawan Skotlandia, Peter W Higgs, yang terbit tahun 1964. Dengan mengambil teori elektromagnet sebagai model, ia menguraikan cara memberikan massa pada foton dengan menggunakan kiat perusakan kesetangkupan spontan (spontaneously symmetry breakdown).

Keberhasilan ini ternyata menuntut suatu bayaran. Haruslah diterima kehadiran sebuah partikel boson skalar bermassa bermuatan netral. Inilah partikel Higgs yang menjadi topik tulisan ini. Cara pemberian massa pada teori medan tera tanpa merusaki kesetangkupan tera ini kemudian dibaptis dengan nama: mekanisme Higgs.

Dua tahun kemudian, fisikawan Inggris, Tom WB Kibble, menerapkan mekanisme ini pada teori medan Yang-Mills. Ini juga harus ia bayar dengan menghadirkan partikel Higgs.

Teori Weinberg-Salam

Teori perusakan kesetangkupan spontan memang pernah dikaji oleh dua fisikawan teori terkemuka saat itu, Steven Weinberg (1933-...) dari AS dan fisikawan Pakistan Abdus Salam (1926-...) di Inggris bersama Geoffrey Goldstone, juga dari AS. Namun, model yang dikaji itu -- dikenal sebagai model Goldstone -- tak diaduk bersama teori medan tera.

Hasil kajian mereka menunjukkan, model ini menghadirkan sejumlah partikel boson skalar tak bermassa. Karena semua partikel boson skalar diketahui bermassa, mereka mengumumkan bahwa: "Teori perusakan kesetangkupan spontan, tak relevan dalam dunia partikel elementer!" Maklumat ini mereka kemukakan pada tahun 1962.

Lima tahun kemudian, gagasan mekanisme Higgs menyadarkan Weinberg dan Salam untuk memungut kembali apa yang telah mereka lemparkan ke dalam keranjang sampah, untuk membumbui model elektro- lemah Glashow tanpa massa. Weinberg mengirimkan rumusannya ke jurnal fisika berwibawa AS, Physical Review Letters, pada bulan Oktober 1967. Sedangkan Salam, pada tahun yang sama, ketimbang langsung menerbitkan rumusannya, ia memilih menyajikannya dahulu dalam kuliah-kuliahnya di Imperial College, London. Penyajian resminya barulah ia sampaikan di Simposium Nobel pada bulan Mei 1968.

Teori elektro-lemah ini memang mirip teori Glashow. Kelebihannya adalah tak merusaki kesetangkupan tera. Tentu saja dengan bayaran: menghadirkan partikel Higgs. Teori inilah yang kemudian dikenal sebagai Model Standar.

Gerard 't Hooft

Apakah teori elektro-lemah Weinberg-Salam ternormal-ulangkan? Terhambat oleh kelangkaan perangkat matematika yang memadai, baik Weinberg maupun Salam tak memberi suatu jawaban pasti. Mereka malahan kemudian berpaling ke bidang kajian lain yang lebih meriah.

Upaya mengembangkan perangkat matematika memadai untuk menangani cacat tak ternormal-ulangkan teori medan Yang-Mills bermassa (tanpa mekanisme Higgs) ternyata diteliti secara serius oleh fisikawan teori Belanda, Martinus JG Veltman (1931-...) dari Universitas Utrecht. Penelitian yang mulai ia tekuni pada tahun 1967 ini memang berada di luar jalur sibuk penelitian fisika teori saat itu. Walaupun ia berhasil mengembangkan perangkat matematika yang diperlukan, cacat ini tetap tak dapat ia atasi.

Di awal tahun 1971, Veltman menantang muridnya, Gerard 't Hooft (baca: het Hooft) dengan masalah ini. Tantangan ini diterima 't Hooft, yang kemudian memilih medan Yang-Mills bermassa dengan mekanisme Higgs sebagai topik kajiannya. Dengan berbekal perangkat matematika yang dikembangkan Veltman, menjelang akhir tahun 1971, pada usia 25 tahun, masalah pelik ini dapat ia pecahkan. Sekaligus ia buktikan pula bahwa teori Weinberg-Salam ternormal-ulangkan.

Hasil penelitiannya ini kemudian diterbitkan dalam jurnal fisika berwibawa Eropa, Nuclear Physics B, tahun 1972 yang ternyata merangsang para fisikawan untuk membalik-balik kembali pustaka fisika guna mengenali hewan apa sebenarnya teori Weinberg-Salam itu? Yang tersaksikan kemudian sungguh luar biasa. Bagaikan sebuah waduk jebol, mengalirlah arus makalah yang luar biasa derasnya, mengkaji teori elektro-lemah Weinberg-Salam serta variasinya, dan teori medan tera pada umumnya secara gencar.

Tahun-tahun berikutnya merupakan tontonan prestasi fisika yang luar biasa mencengangkan. Dengan tuntunan model standar, kedalaman tambang struktur alam partikel elementer secara berangsur tersingkap. Satu per satu. Kandungannya tak ternilai.