Partikel elementer tidak tersedia di alam. Tetapi diperoleh dengan

Partikel Elementer
Atom pada mulanya dianggap sebagai penyusun materi paling mendasar. Anggapan ini
terbukti salah setelah teori atom berkembang berdasarkan hasil-hasil eksperimen. Atom terdiri
dari atas elektron-elektron yang mengorbit sekitar inti, dan selanjutnya ditemukan pula bahwa
inti atom bukanlah partikel elementer karena ternyata tersusun atas proton dan neutron. Di alam
terdapat lebih dari 100 jenis atom. Atom-atom ini dapat dikelompokkan ke dalam tiga partikel
dasar, yaitu elektron, proton, dan neutron. Bila melakukan percobaan dengan nukleon berenergi
tinggi akan ditemukan hal-hal rumit tentang partikel baru muncul sebagai hasil reaksinya.
Dengan adanya mesin pemercepat partikel yang dimulai 1930-an, para fisikawan berhasil
“membelah” inti atom. Kemudian, dengan pemercepat yang lebih canggih, kembali para
fiikawan mencoba melihat lebih jauh ke dalam proton dan neutron. Penembakkan proton atau
neutron menggunakan partikel energi tinggi tidak membelahnya menjadi bagian-bagian
sederhana melainkan melahirkan partikel-partikel baru yang lebih berat dan lebih rumit dari pada
proton dan neutron. Baru beberapa tahun terakhir ada keyakinan tantang adanya suatu
keteraturan, yaitu proton, neutron, dan partikel elementer lainnya tersusun atas satuan yang
sangat kecil sebagai “batu bata” penyusun materi yang disebut quark. Kemudian, partikel
pertikel yang telah dikenal diklompokkan ke dalam tiga grup, yaitu lepton, barion, dan meson.
A. Partikel dan medan
Reaksi yang terjadi di antara partikel-partikel dalam benturan energi tinggi melibatkan empat
macam gaya mendasar, yaitu:
1. Gaya kuat (strong) terdapat pada ikatan inti dan merupakan interaksi terkuat.
2. Gaya elektromagnetik besarnya seperseratus gaya kuat
3. Gaya lemah terdapat pada proses peluruhan beta, inti yang besarnya 10-13 kali interaksi
kuat
4. Gaya gravitasi yang besarnya 10-38, tidak memberikan efek sama sekali pada tingkat
fisika partikel
Tabel 8.1 Empat macam gaya fundamental
Jenis Gaya
Bekerja pada
Kekuatan relatif
Jangkau
Kuat
Barion dan meson
1
10-15 m
Elektromagnetik
Partikel bermuatan
10-2
∞
Lemah
Lepton, barion, meson
10-6
10-18 m
Gravitasi
Semua bentuk materi
10-38
∞
Tabel 8.2 Pengelompokkan beberapa paertikel elementer berdasarkan interaksi dan spin
intrinsik
Interaksi kuat
Interaksi
Elektromagnetik
Interaksi lemah
Spin ½
Spin 0
π
e
e
e
π
κ
µ
µ
µ
κ
ρ
π
ν
ν
n
κ
π
ρ
Λ
ρ
κ
n
n
ρ
Λ
n
Λ
Misalnya, interaksi anatra dua proton yang terletak pada jarak dekat berinteraksi dengan gaya
kuat, sedangkan interkasi anatra proton dan electron tidak pernah terjadi dengan gaya kuat.
Pengelompokkan berdasarkan massa partikel, yaitu:
1. Lepton, yaitu kelompok teringan (e, µ, ν)
2. Meson, yaitu kelompok antara (π, κ)
3. Barion, yaitu kelompok terberat (ρ, n)
Pengelompokkan berdasarkan usia hidup partikel yang stabil terhadap peluruhan, yaitu:
1. Peluruhan
yang
berlangsung
menurut
interaksi
kuat
memiliki
waktu
hidup
tersingkat (10-20 – 10-23) detik
2. Peluruhan karena interaksi elektromagnetik waktu hidupnya lenih lambat (10-15 – 10-18)
detik.
3. Peluruhan karena interaksi lemah waktu hidupnya (10-10 detik – 15 menit)
Salah satu sifat partikel mempunyai anti partikelnya yang massa dan banyak sifat
lainnya identik dengan partikelnya kecuali muatan elektriknya yang berbeda tanda. Misalnya
elektron, anti parikelnya yaitu positron, proton anti partikelnya anti proton yang mempunyai
massa sama dengan proton tetapi bermuatan negatif. Apabila partikel bertemu dengan anti
partikelnya, maka kedua partikel akan lenyap dan sebagi gantinya dihasilkan satu atau dua
foton atau sinar gamma. Reaksi ini dikenal dengan rekasi pemusnahan. Contoh reaksi
pemusnahan, yaitu:
e– + e+ =
γ1 + 2 (Eγ1 = Eγ2 = 0,511 MeV)
Hukum kekekalan
Dalam fisika dikenal beberapa hukum kekekalan, antara lain hukum kekekalan momentum
linier, momentum sudut, hukum kekekalan energi. Semuanya ini berlaku dalam ruang dan waktu.
Pada reaksi kimia diberlakukan hukum kekekalan jumlah elektron. Dalam proses inti akan
bertemu dengan proton dan neutron, misalnya peleuruhan α dalam inti atom.
235
𝑈92
231
𝑇ℎ90
𝐻𝑒24
Atau dalam reaksi
63
𝑝 + 𝐶𝑢29
63
𝑍𝑛30
+𝑛
Dalam kedua reaksi inti diatas perlu menyeimbangkan antara jumlah elektron dan
neutron sebelum dan sesudah reaksi. Hal ini menunjukkan bahwa dalam reaksi inti mensyaratkan
jumlah proton dan jumlah neutron harus kekal. (kekekalan jumlah proton dan neutron dapat
ditafsirkan sebagai hukum kekekalan muatan elektrik). Pada semua peluruhan dan reaksi inti
berlakuku hukum kekekalan muata elektrik dan jumlah nukleon.
Misalnya pada peluruhan β, reaksinya yaitu:
p + e– + v
n
Keluarga partikel
Keluarga partikel lepton, meson, dan barion adalah sebuah partikel istimewa. Keluarga
lepton terdiri dari partikel-partikel yang tidak berinteraksi dengan spin ½. Yang termasuk
keluarga lepton, yaitu e, muon (µ), ν, dan ditambah empat anti partikelnya. Meson mempunyai
massa diam antara lepton dan barion. Banyak ditemukan meson-meson yang mempunyai massa
lebih berat daripada barion teringan. Meson tidak stabil memilki spin 0 atau 1. Meson (κ)
memilki sifat aneh, yaitu:
1. Meson netral (η, π0) meluruh sangat cepat (10-16 – 10-18) detik ke dalam 2 foton.
2. κ0 meluruh lebih lambat (10-10) detik manjadi meson π dan lepton.
Interaksi dan peluruhuan partikel
Partikel elementer tidak tersedia di alam. Tetapi diperoleh dengan tumbukan dahsyat dan
ada umumnya tidak stabil kecuali proton. Berkas proton ditembakkan pada sasaran (hydrogen
cair) akan dihasilkan berbagai partikel elementer.
p
Detektor
π
+
Berkas Proton
Λ
p
Untuk mengukur partikel-partikel elementer memerlukan detektor yang diukur, antara
lain massa, momentum partikel yang datang. Energi peluruhannya merupakan selisih antara
massa partikel awal dengan massa partikel hasil. Momentum akhir partikel hasil sama besar
tetapi arahnya berlawanan.