MENUNGGU PARTIKEL HIGGS

Hans J Wospakrik (Fisika ITB)

BEGITU kerasnya gema karya pena 't Hooft, sampai-sampai para fisikawan eksperimen pun tergelitik untuk mengamati keberadaan interaksi arus-netral yang diramalkan teori Weinberg-Salam. Penelitian ke arah ini dilakukan oleh tim Gargamelle di laboratorium pemercepat partikel CERN, milik Masyarakat Eropa, di Geneva, Swiss.
PERCOBAAN itu dilakukan pada tahun 1973 dengan menembakkan berkas neutrino pada sebuah bejana buih (bubble chamber) istimewa berisi cairan propan lewat-didih. Amatan jejak buih lintasan elektron yang tertendang, sebagai akibat interaksi neutrino dengan elektron atom cairan bejana, ternyata sesuai dengan ramalan interaksi arus netral. Temuan ini dengan demikian menempatkan teori Weinberg-Salam sebagai suatu teori fisika yang benar-benar menerangkan perilaku alam.
Menengok sejenak ke sejarah perkembangan fisika, nilai temuan ini dapatlah disetarakan dengan temuan fisikawan eksperimen Jerman, Heinrich Hertz (1857-1894), pada tahun 1888 ketika ia berhasil mengamati gelombang radio yang diramalkan Maxwell berdasarkan teori eletromagnetnya.

Lepton, hadron, kuark
Pada rumusan Weinberg, partikel berinteraksi yang ditinjau terbatas pada pasangan elektron dan neutrinonya. Sedangkan dalam rumusan Salam, ia sertakan pula pasangan partikel muon dan neutrinonya: neutrino-muon. Berat partikel muon yang ditemukan pada tahun 1947 sekitar 1/7 berat proton, sedangkan massa partikel neutrino-muon praktis nol. Neutrino-muon inilah yang digunakan pada percobaan tim Gargamelle. Elektron dan muon beserta pasangan neutrinonya ini dikelompokkan ke dalam kelas partikel lepton, yang berarti partikel lemah, karena lepton hanya merasakan interaksi elektro-lemah.

Proton dan neutron, penyusun inti atom, selain merasakan interaksi elektro-lemah, juga interaksi kuat yang berperan mengikat keduanya dalam inti atom. Disebut interaksi kuat karena, pada jarak jejari inti atom, kekuatannya sekitar 100 kali interaksi elektromagnet.

Menjelang akhir dasawarsa 50-an ditemukan lebih daripada 50 buah partikel yang juga berinteraksi melalui interaksi kuat. Semua partikel ini dikelompokkan ke dalam kelas partikel hadron yang berarti partikel kuat. Jumlah hadron yang demikian banyak itu menimbulkan kecurigaan bahwa hadron bukanlah partikel tersederhana.

Tahun 1961, fisikawan teori AS, Murray Gell-Mann (1929-...), memperlihatkan bahwa setiap partikel hadron memenuhi suatu aturan peng-kelas-an berdasarkan kesamaan sifat fisikanya yang ternyata pas dengan teori kesetangkupan matematika istimewa (teori grup), SU(3). Setelah menganalisis teorinya lebih mendalam, pada tahun 1964 ia simpulkan bahwa semua hadron dapatlah dipandang tersusun dari tiga buah partikel dasar tersederhana yang ia namai kuark. Berbeda dengan elektron yang dapat bebas berkelana, kuark terikat erat dalam hadron. Hadron sebenarnya masih dikelompokkan lagi atas dua subkelas: barion dan meson. Menurut Gell-Mann, baryon tersusun atas tiga buah kuark, sedangkan meson: dua buah.

Setiap kuark memiliki sifat khas yang dibedakan dengan nama: u (up), d (down), dan s (strange). Nama-nama ini hanyalah label belaka, tak ada sangkut-pautnya dengan arti katanya. Karena setiap partikel hadron bermuatan listrik bulat, maka haruslah diterima bahwa setiap partikel kuark bermuatan pecahan sepertiga. Kuark u misalnya bermuatan (2/3), d (-1/3), dan s juga (-1/3). Selain itu, terdapat juga partikel anti-kuark yang memiliki massa sama tetapi muatan berlawanan. Anti-u, misalnya, bermuatan (-2/3).

Proton dan neutron tergolong keluarga barion. Berdasarkan teori Gell-Mann, kedua partikel ini hanya tersusun atas kuark u dan d. Proton, karena bermuatan listrik +1, tersusun dari dua kuark u, dan sebuah kuark d, sedangkan neutron terdiri dari dua kuark d dan sebuah kuark u.

Karena neutron dan proton hampir sama beratnya, maka kuark u dan d pun demikian. Tetapi, karena neutron sedikit lebih berat daripada proton, maka massa kuark d lebih besar daripada u. Nah, inilah salah satu alasan dipilihnya label nama up (atas) dan down (bawah) bagi kedua kuark ini, mengingat yang berat cenderung berada di bawah yang ringan. Taksiran massa kuark u adalah sekitar 10 kali massa elektron.
Partikel hadron yang tersusun dari kuark s, dikenal sebagai partikel strange, aneh. Disebut demikian, karena sifatnya yang mungkin aneh: penciptaannya melalui tumbukan hadron tak berenergi tinggi yang selalu hadir secara berpasangan. Selain itu, walaupun penciptaannnya berlangsung melalui interaksi kuat, peluruhannya malah berlangsung melalui interaksi lemah. Hadron strange umumnya lebih berat daripada proton. Karena itu, massa kuark s juga lebih berat daripada kuark u, yang ditaksir sekitar 25 kali.

Teori kuark yang sama juga dikemukakan pada tahun yang sama secara terpisah oleh fisikawan teori AS, George Zweig (1937-...). Karena interaksi elektro-lemah juga berpengaruh pada hadron, para fisikawan merasa wajar untuk mengikutsertakan kuark dalam teori elektro-lemah Weinberg-Salam. Penyertaannya menempatkan kuark u dan d berpasangan seperti elektron dan neutrinonya, sedangkan s tanpa pasangan.
Skema ini ternyata menghadirkan interaksi arus-netral yang menggandeng kuark d dan s. Ini aneh! Soalnya, interaksi arus-netral pada dasarnya hanyalah menggandeng kuark atau lepton sejenis dan antinya. Dari segi eksperimen, jenis interaksi arus-netral tadi meramalkan peluruhan hadron strange netral ke pasangan lepton- antilepton. Suatu ramalan yang bertentangan dengan kenyataan eksperimen.

Jipsy cantik
Masalah yang mengecewakan ini ternyata segera ditemukan pemecahannya oleh tiga fisikawan AS: Sheldon Glashow, John Iliopoulos, dan Luciano Maiani pada tahun 1970. Mereka mengusulkan sebuah kuark tambahan bermuatan listrik (2/3), sebagai pasangan dari kuark s.

Kuark baru ini diberi nama charm (c) atau cantik. Sekali lagi, nama ini tak bersangkut paut dengan unsur kecantikan. Pilihannya mungkin muncul sebagai luapan kegembiraan mereka dalam usaha mengatasi masalah arus-netral kuark tadi.
Usulan ini dengan demikian meramalkan kehadiran kelas hadron baru yang mengandung kuark c, yang disebut hadron charm. Pengamatan arus netral oleh tim Gargamelle rupanya menyadarkan para fisikawan eksperimen untuk lebih tanggap terhadap ramalan model standar. Perburuan hadron charm pun segera dilakukan.

Sekali lagi, model standar terbukti benar. Si "hadron cantik" ini ditemukan pada bulan November tahun 1974 oleh dua tim AS, sebagai hasil tumbukan elektron dan positron (anti-elektron) berenergi tinggi. Satunya di Brookhaven National Laboratory, Long Island, New York, di bawah pimpinan fisikawan AS keturunan Cina, Samuel Ting. Sedangkan team tandingannya di Stanford Linear Accelerator (SLAC), California, dipimpin oleh Burton Richter.

Hadron charm ini adalah sebuah meson yang tersusun dari ikatan kuark s dan antinya, dengan berat sekitar tiga kali berat proton. Tim pantai timur menamainya: J, sedangkan lawannya di pantai barat memberi nama: psy. Dari data meson "cantik" ini, massa kuark c ditaksir sekitar 10 kali massa kuark s.
Gabungan kedua nama ini ternyata enak pula bunyi ejaannya dalam bahasa Indonesia: "Jipsy". Tentu saja, yang teramati bukanlah si cantik Cassandra dari Telenovela. Mungkin untuk menghindari tafsiran keliru ini, disepakatilah nama psy bagi meson charm ini.

Temuan ini dipandang sebagai titik-balik penelitian fisika partikel, sehingga panitia Nobel menganugerahkan hadiah Nobel fisika tahun 1976 kepada Ting dan Richter.

Lepton dan kuark baru
Temuan partikel psy kemudian merangsang para fisikawan eksperimen melakukan perburuan partikel baru secara gencar. Setahun kemudian, tim SLAC di bawah pimpinan Martin Perl kembali berhasil menemukan lepton baru dengan berat sekitar dua kali proton. Lepton baru yang diberi nama tau ini ternyata berpasangan pula dengan neutrinonya, neutrino-tau.

Penyertaan lepton baru ini ke dalam model standar ternyata membawa ketimpangan. Dalam sektor lepton terdapat tiga keluarga, elektron, muon, dan tau; sedangkan dalam sektor kuark hanyalah dua: pasangan u dan d, serta c dan s. Untuk mengimbangi susunan ini, para fisikawan teori mengusulkan bahwa di sektor kuark terdapat pula pasangan ketiga, yang terdiri dari kuark t (top: puncak) bermuatan listrik (2/3), dan b (bottom: dasar) bermuatan (-1/3).

Apakah kuark baru ini merupakan khayalan mengada-ada para fisikawan teori? Para fisikawan eksperimen rupanya menanggapinya secara sungguh-sungguh. Pada tahun 1977, kembali sebuah tim AS di FermiLab, di bawah pimpinan Leon Lederman, menemukan sebuah meson baru yang mendukung kehadiran kuark b. Meson bottom yang diberi nama upsilon ini bermassa sekitar sembilan kali massa proton, yang memberi taksiran bagi massa kuark b sekitar empat kali massa kuark c.

Perburuan kuark top akhirnya berhasil juga di Fermilab pada bulan April tahun lalu oleh dua kelompok fisikawan AS yang menggunakan mesin penumbuk proton-antiproton berenergi ultra tinggi, Tevatron. Hasil olahan data amatan kelompok CDF (Collider Detector Facility) memberi angka sekitar 175 kali massa proton untuk massa kuark top, sedangkan kelompok DZero memberi angka sekitar 200 kali.

Hadiah Nobel 1979
Karya pena 't Hooft dan temuan eksperimen yang menyusulinya semakin menguatkan keabsahan teori elektro-lemah Weinberg-Salam yang dibangun berdasarkan model Glashow ini. Prestasi tinggi yang dicapai teori ini akhirnya meyakinkan panitia hadiah Nobel untuk menganugerahkan hadiah Nobel fisika tahun 1979 kepada para penggagasnya: Steven Weinberg, Abdus Salam, dan Sheldon Glashow.

Mengapa Gerard 't Hooft dan Martinus Veltman -- dua fisikawan teori yang begitu besar jasanya dalam memberi nafas kehidupan bagi teori ini -- hingga sekarang tak dianugerahi hadiah Nobel? Suatu pertanyaan yang tampaknya wajar dikemukakan. Karya mereka rupanya bernasib sama seperti karya akbar fisikawan teori terbesar Albert Einstein, teori kerelatifan umum, yang juga tak mendapat penghargaan hadiah Nobel. Hadiah Nobel tahun 1922 yang dianugerahkan pada Einstein tak menyinggung sedikit pun karya termegahnya itu! Tentu saja, panitia Nobel jua yang mengetahui alasannya!

W dan Z ditemukan
Penganugerahan hadiah Nobel fisika tahun 1979 ternyata mendahului pembuktian eksperimen bagi kehadiran partikel W+, W-, dan Z, perantara interaksi lemah, yang diramalkan model standar. Rupanya, di sini keyakinan keabsahannya berhasil mengalahkan kesabaran menantikan pembuktian eksperimennya.

Memang benar. Ketiga partikel itu akhirnya ditemukan pada bulan Januari 1983 oleh kelompok UA1 di CERN, Jenewa, Swiss, lewat percobaan tumbukan proton anti-proton berenergi tinggi. Sebagai imbalannya, Carlo Rubbia, fisikawan Italia, bersama fisikawan Belanda, Simon van der Meer, dianugerahi hadiah Nobel fisika tahun 1984. Rubbia adalah pemrakarsa dan pemimpin tim perburuan ini, sedangkan van der Meer berjasa merancang mesin penumbuk proton anti- proton yang dengannya ketiga partikel ini ditemukan.

Partikel Higgs?
Dengan ditemukannya bukti kehadiran kuark top, perburuan terakhir kini ditujukan pada partikel Higgs. Sayangnya, massa partikel ini tak dapat diramalkan secara pasti, namun ditaksir berada di atas massa partikel W, Z, dan kuark top.
Secara teori, partikel Higgs dapat pula dihasilkan melalui tumbukan proton dan anti-proton berenergi sangat-sangat tinggi. Usaha perburuannya semula diprakarsai oleh para fisikawan AS begitu partikel W dan Z ditemukan. Karena energi tumbukan yang dibutuhkan lebih tinggi daripada yang dapat dihasilkan semua pemercepat partikel saat itu, maka dibangunlah sebuah laboratorium baru di Waxahachie, negara bagian Texas, untuk memenuhi kebutuhan ini.

Laboratorium ini dinamai SSC (Superconducting Supercolider) yang ternyata mengundang perdebatan sengit di Senat AS, karena sangat tinggi biaya pembangunannya: 20 trilyun rupiah lebih! Setelah melalui perdebatan panjang selama bertahun-tahun, Senat AS akhirnya memutuskan untuk membatalkan kelanjutan proyek raksasa yang sangat mahal itu pada akhir tahun 1993 lalu.

Kini, harapan satu-satunya digantungkan pada tim Eropa yang merencanakan membangun laboratorium sejenis dengan nama LHC (Large Hadron Collider), yang direncanakan selesai pada tahun 2002. Energi tumbukan yang dihasilkannya lebih rendah, sekitar 1/4 energi SSC. Begitu pula biaya pembangunannya, sekitar 1/5 biaya SSC. Terowongan cincin mesin penumbuk ini dibangun di laboratorium CERN, di pinggiran kota Jenewa, melintasi perbatasan Swiss-Perancis. Apakah partikel Higgs bakal teramati, sejarah masa depanlah yang akan mencatatnya. Bila hasil perburuannya nihil, maka sebuah teori elektro-lemah baru -- tanpa partikel Higgs namun tak melanggar kesetangkupan tera -- menanti untuk ditemukan rumusannya. Sebuah tantangan menarik bagi para fisikawan teori medan tentunya.