bab 1 pendahuluan

BAB 1
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Terdapat empat interaksi fundamental di alam yakni interaksi kuat,
interaksi elektromagnetik, interaksi lemah dan interaksi gravitasi. Daftar kekuatan
relatif, jangkauan dan partikel yang menjadi perantara (mediator) dari tiap-tiap
interaksi diberikan pada Tabel 1.1.
Tabel 1.1 Empat Interaksi Alam
Interaksi
Partikel yang
Jangkauan
dipengaruhi
Kuat
Kuark
Kekuatan
relatif
∼ 10−15 m
1
Partikel
Gluon
Meson
Hadron
Elektromagnetik
Mediator
∞
∼ 10−2
Foton
∼ 10−17 m
∼ 10−14
Boson vektor
bermuatan
Lemah
Kuark dan
madya
Lepton
Gravitasi
Semua
∞
∼ 10−39
Graviton
(belum
ditemukan)
Pada Tabel 1.1, terlihat bahwa dari keempat interaksi tersebut, interaksi
gravitasi paling lemah sehingga dalam kajian fisika energi tinggi, interaksi
gravitasi diabaikan. Dalam kajian fisika energi tinggi, terdapat suatu teori yang
mendeskripsikan tiga interaksi alam, selain interaksi gravitasi, yang dikenal
sebagai model standar. Pada model standar, tiga interaksi alam dijelaskan melalui
satu prinsip umum yakni prinsip invariansi lagrangian terhadap transformasi
gauge lokal. Salah satu asumsi yang digunakan untuk membangun model standar
adalah ketiadaan medan neutrino kiralitas kanan sebagai konsekuensi dari hasil
pengukuran helisitas neutrino yang dilakukan oleh Goldhaber dan kawan-kawan.
Asumsi ini berakibat pada tiadanya peluang untuk membangun suku massa bagi
1
neutrino mengingat untuk membangun suku massa dalam model standar
dibutuhkan medan kiralitas kanan. Prediksi neutrino tidak bermassa ini telah
diterima secara luas di kalangan fisikawan partikel mengingat model standar telah
sukses menjelaskan berbagai hasil eksperimen fisika energi tinggi.
Prediksi neutrino tidak bermassa dalam model standar tampaknya perlu
ditinjau kembali mengingat pada tahun 1998, kolaborasi Super-Kamiokande
memberikan bukti kuat mengenai kehadiran fenomena osilasi neutrino di alam
dari data eksperimen neutrino atmosferik (Kolaborasi Super-Kamiokande, 1998).
Fenomena osilasi neutrino hanya dapat dijelaskan jika neutrino bermassa. Untuk
menjelaskan massa neutrino yang tidak nol, model standar diperluas dengan
menghadirkan medan neutrino kiralitas kanan sementara rapat lagrangian
elektrolemah tetap invarian terhadap transformasi gauge SU ( 2 ) × U (1) . Setelah
perusakan simetri spontan, didapatkan massa lepton bermuatan, massa neutrino
Dirac ( M D ) dan massa neutrino Majorana kanan ( M R ) . Skala M D berada pada
skala energi elektrolemah ( ∼ 100 GeV ) sedangkan skala M R diprediksi berada
pada skala energi teori kemanunggalan agung
MR
( ∼ 10
15
)
GeV . Asumsi bahwa
M D , yang dikenal sebagai model seesaw, diusulkan pertama kali oleh
Yanagida, Gell-Mann, Ramond dan Slansky pada tahun 1979 (Yanagida, GellMann, Ramond dan Slansky, 1979). Model seesaw memberikan suku efektif bagi
massa kecil neutrino kiri yakni M ν = − M DT M R−1M D yang melahirkan mekanisme
Seesaw. Mekanisme ini sukses menjelaskan mengapa neutrino yang terdeteksi di
alam hanya neutrino dengan kiralitas kiri dan mengapa neutrino bermassa kecil
sehingga dibutuhkan suatu teori baru di luar model standar yang dapat
menjelaskan kehadiran medan neutrino kiralitas kanan.
Salah satu teori yang diharapkan dapat menjelaskan kehadiran medan
neutrino kiralitas kanan adalah teori kemanunggalan agung (Grand Unified
Theory, GUT). Terdapat beberapa versi teori kemanunggalan agung. Salah
satunya adalah yang berbasis SU(5) yang diusulkan oleh Georgi dan Glashow
(Georgi dan Glashow, 1974). Teori kemanunggalan agung berbasis SU(5) sukses
menjelaskan berbagai pertanyaan tak terjawab yang ditinggalkan model standar
2
tapi teori ini masih belum dapat mengakomodasi kehadiran medan neutrino
kiralitas kanan sehingga tidak dapat dijadikan landasan teori bagi mekanisme SeeSaw. Alternatif yang lain datang dari grup SO(10) yang diusulkan oleh Fritzsch
dan Minkowski (Fritzsch dan Minkowski, 1975). Pada teori kemanunggalan
agung berbasis grup SO(10) ini, kehadiran medan neutrino kiralitas kanan
terakomodasi dalam multipletnya sehingga peluang untuk membangkitkan massa
Dirac bagi neutrino lebih besar pada teori ini. Dengan demikian, teori ini
diharapkan mampu memberikan landasan teoritis bagi mekanisme See-Saw.
1.2
Rumusan Masalah
Penelitian ini mengangkat dua permasalahan pokok sebagai berikut :
1. Bagaimanakah deskripsi teori kemanunggalan agung berbasis grup SO(10)?
2. Bagaimanakah pola perusakan simetri spontan yang terjadi pada teori
kemanunggalan agung berbasis grup SO(10)?
1.3
Batasan Masalah
Terdapat beberapa prediksi yang akan muncul dari teori kemanunggalan
agung berbasis SO(10), antara lain :
a) prediksi mengenai massa lepton dan kuark.
b) prediksi mengenai waktu hidup proton dalam peluruhan proton
c) prediksi mengenai neutrino bermassa
Dari beberapa prediksi tersebut, tesis ini hanya akan membahas mengenai
neutrino bermassa sebagai konsekuensi tertampungnya medan neutrino kiralitas
kanan.
1.4
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk mendeskripsikan teori kemanunggalan
agung berbasis grup SO(10) secara rinci dimulai dari rank, generator, aljabar grup,
representasi spinor, serta medan gauge yang terkait dengan generatornya. Selain
itu, penelitian ini juga bertujuan untuk memahami pola perusakan simetri spontan
yang terjadi pada teori kemanunggalan agung berbasis grup SO(10).
3
1.5
Manfaat Penelitian
Deskripsi rinci teori kemanunggalan agung SO(10) dalam tesis ini dapat
memberi petunjuk bagi kajian lebih lanjut dalam menjelaskan fenomena di sekitar
energi rendah yang tidak dapat dijelaskan oleh model standar.
4