Kali ini aku ingin menjelaskan sedikit
tentang partikel Higgs Boson, nah apasih Higgs Boson itu, gimana sejarahnya,
gimana karakteristiknya, apa masalah hierarki dibaliknya dan gimana hubungannya
dengan astrofisika.
 |
| Englert dan Higgs ketika menerima nobel pada tahun 2013. Sumber:CERN |
Pertama, nama partikel Higgs ini muncul
dari dalil fisikawan Peter Higgs tahun 1964. Dimana latar belakang adanya
partikel Higgs ini adalah penjelasan teoritis mengenai kenapa sih sesuatu
memiliki massa. Pada saat itu sudah ada teori tentang partikel fundamental tapi
belum ada penjelasan matematis mengapa partikel memiliki massa, maka awal dalil
yang diberikan Pater Higgs tak sekedar gagasan namun juga rumusan matematisnya.
Kemudian pada awal 1970 ada beberapa saran bagaimana membatasi atau
mengecualikan kemungkinan partikel Higgs tersebut dalam ranah matematis, yaitu
melalui mekanisme Brout-Englert-Higgs-Guralink-Heagen-Kibble. Sesuai namanya
yang panjang mekanisme ini dirumuskan oleh enam ilmuan fisika partikel, dimana
mekanisme ini memuat bagaimana partikel Higgs diperlukan sebagai jalan tengah.
 |
| Potensial Sombrero dengan keadaan tidak stabil pada ϕ = 0 dan minima di sekitar lingkaran. Sumber:Scholarpedia |
Dalam mekanisme Brout-Englert-Higgs-Guralink-Heagen-Kibble
ini dijelaskan tentang perlunya menghilangkan hambatan utama dalam membangun
teori interaksi lemah dan elektromagnetik. Sebagaimana kita tahu bahwa di alam
ini ada empat gaya fundamental yang bekerja, dua diantaranya adalah interaksi
lemah dan elektromagnetik kedua gaya ini berperan penting dalam partikel dasar,
namun kedua gay atersebut bisa dijelaskan lebih lanjut jika ada partikel Higgs
yang memeberi massa pada vektor boson W. Dengan persamaan matematis yang
tentunya cukup rumit mekanisme ini pada dasarnya adalah versi relativistik yang
beroperasi dalam superkonduktor. Visualisasi dari mekanisme Brout-Englert-Higgs-Guralink-Heagen-Kibble
ini adalah grafik potensial topi sombrero yang terkenal rumit namun cantik itu.
Kembali lagi pada sejarah Higgs, jika
mekanisme tadi adalah sejarah teoritis maka pada tahun 1979 dimulailah diskusi
eksperimental pertama untuk mencari eksistensi dari partikel Higgs ini. Setelah
diskusi yang cukup lama dan pengokohan dasar matematis akhirnya pada tahun
1980-1990 an lembaga penelitian fisikia partikel di Amerika bernama Fermilab
yang mana alat pendeteksi partikelnya bernama Tevatron. Dalam Tevatron ini
partikel dipercepat dengan kekuatan kurang dari 7 TeV, yang mana pada akhirnya
Tevatron di Fermilab hanya mampu memverifikasi Model Standart dan gagal
mengidentifikasi Higgs. Hal ini disebabkan oleh betapa cepatnya partikel Higgs
ini meluruh dan jika dipaksakan kecocokan antara hasil eksperimen Tevatron dan
teori yang ada maka masih teridentifikasi banyak gangguan yang menyebabkan
presentase kesalahan besar terhadap adanya partikel Higgs.
 |
| Tumbukan yang terjadi ketika meneliti partikel Higgs, garis kuning adalah foton yang terpancar dan garis hijau adalah pengaruh magnetiknya.Sumber : CERN |
Kemudian lembaga penelitian fisika
partikel di Eropa bernama CERN mulai mengagkifkan labolatorium pendeteksi
partikel bernama LHC atau Large Hadron Collider yang mana LHC ini dibangun
dibawah tanah di perbatasan negara Swiss da Paris, dengan letak kantor utamanya
di Jenewa Swiss. Detektor CERN ini dibangun di bawah tanah dengan diameter lab
mencapai 5 kilometer dan lingkaran labnya mencapai 27 km. LHC mulai memproduksi
tabrakan partikel pada akhir 2009, diperlukan bermilyar-milyar tabrakan
partikel hingga akhirnya bisa mengidentifikasi partikel Higgs. Langkah awal
dari penelitian CERN ini adalah dengan mempercepat suatu partikel dalam
pengaruh medan magnet yang sangat kuat, jadi suatu atom dipercepat dalam
pipa-pipa berbentk lingkaran tadi dalam pengaruh medan magnet dan kecepatannya
mendekati kecepatan cahaya, tujuannya agar mendapatkan sejumlah besar proton
yang nantinya akan ditabrakkan dalam lingkaran lainnya. Setelah proton didapat,
sejumlah besar proton tersebut ditabrakkan satu sama lainnya, jadi prinsipnya
proton-proton itu dipercepat mendekati kecepatan cahaya kemudian lama kelamaan
dua proton akan saling bertabrakan. Ketika dua proton bertabrakan proton akan
pecah menjadi quark dan gluon, kemudian ketika tabrakan terjadi dua buah gluon
bersatu membentuk boson Higgs. Karena waktu paruh partikel ini sangat singkat
Boson Higgs segera menghilang dan kemudian meluruh dengan memancarkan sepasang
foton.
 |
| Bagian dalam labolatorium CERN, amati betapa kecilnya ilmuan yang berdiri di foto tersebut. Sumber: CERN |
Dibutuhkan bermilyar-milyar kali tabrakan
sehingga data bisa terkumpul dan terdeteksi oleh sistem statistik. Di lembaga
penelitian CERN ini digunakan energi yang lebih besar dari Tevatron yaitu 8 TeV
dalam pusat massanya. Kemudian pada akhir 2011, percobaan yang dilakukan oleh
ATLAS dan CMS mulai membuahkan hasil dan para peneliti mulai optimis bahwa
mereka melihat petunjuk adanya partikel Higgs dalam data yang mereka peroleh.
Pada tanggal 4 Juli 2012 diumumkanlah partikel seberat ∼ 125
GeV yang menunjukkan karakteristik partikel Higgs.
 |
| Analogi untuk memahamkan bagaimana medan Higgs Boson menyebabkan suatu partikel bermassa. Sumber : LiveScience |
Karakteristiknya, seperti yang telah
disebutkan diatas, Higgs Boson itu tersusun dari dua buah gluon dan waktu
luruhnya dangat cepat, peluruhannya ditandai dengan kemunculan foton. Lalu Higgs
terdeteksi dengan bantuan pengolahan statistik dimana dibagi menjadi dua reaksi
yaitu reaksi latar dan reaksi sinyal. Maksud dari reaksi latar ini adalah
reaksi-reaksi terbentuknya pratikel fundamental selain partikel Higgs, kemudian
reaksi sinyal itu adalah kemunculan foton yang disebabkan peluruhan Higgs. Jadi
di LHC ini kemunculan reaksi sinyal dari data statistik sangat tinggi sehingga
ilmuan pada akhirnya mampu mengidentifikasi partikel Higgs Boson. Kemudian
dalam pembahasan fisis dari data eksperimen LHC, Higgs Boson ini sebagai
jawaban mengapa partikel memiliki massa.
Untuk memahami kenapa medan Higgs Boson
ini membuat suatu partikel memiliki massa, maka kita bahas mengenai analogi
pesta jamuan atau analogi “Cocktail Party” yang digagas oleh Wldegrave. Kita anggap dalam suatu
pesta jamuan datanglah seorang ratu, ketika ratu itu lewat di tengah-tengah
pesta maka orang-orang yang datang di pesta akan berkerumun mendekati ratu,
ketika ratu terus maju orang-orang yang di belakang kembali ke tempat mereka
semula dan orang di depan menyongsong atau mulai mengerumuni sang ratu, karena
dikerumuni banyak orang kecepatan ratu dalam berjalan menjadi lebih lama. Nah orang-orang
yang ada di pesta jauman itu adalah medan Higgs Boson dan sang ratu adalah
partikel yang bermasa. Kalau ada foton yang tak bermassa, maka foton bukan
ratu, kalau ada partikel yang massa nya lebih kecil dari yang lain maka mari
kita anggap posisinya sedikit di bawah ratu, perdana mentri misalnya.
 |
| Model Standar dan Supersimetri. Sumber:CERN |
Kemudian kita membahas mengenai apa yang
ada dibalik Higgs Boson ini, apakah dunia dengan gaya fundamental baru yaitu
supersimetri dan multi-dimensi? Nah maka muncullah masalah hierarki dari
partikel Higgs Boson ini. Salah satunya adalah tentang teori supersimetri yang
mana mempostulatkan susunan model standart partikel baru dalam kerangka
supersimetri dimana partikel-partikel dasar normal digambarkan lebih kuat dan
lebih padat. Masalah hirarki dari Higgs muncul karena kita mengharapkan efek
dari partikel virtual untuk mendorong nilai medan Higgs sampai skala Planck. Kemudian
masalah hierarki lain mengenai materi gelap (dark matter), digadang-gadang
materi gelap ini adalah materi yang memenuhi hampir 95% dari alam semesta kita
yang terus mengembang. Alam semesta yang terus mengembang dan keberadaan materi
gelap yang masih banyak misteri yang terkandung di dalamnya menjadikan banyak
fisikawan teoritis yang memasukkan partikel Higgs sebagai salah satu sebab
terjadinya pengembangan alam semesta dan para fisikawan teoritis juga yakin
bahwa partikel Higgs berperan penting dalam penjelasan misteri dalam materi
gelap.
Untuk aplikasi Higgs Boson dalam ranah
astrofisika adalah Higgs sebagai gambaran pembentukan awal alam semesta. Iya,
tanpa ada Higgs, tidak ada partikel yang memiliki massa dan otomatis alam ini
tidak akan ada seperti sekarang. Ketika Big Bang atau dentuman besar terjadi
dalam waktu seper sekian juta detik pertama usai ledakan Higgs berperan untuk
memberikan massa kepada partikel-partikel dasar yang terbentuk, sehingga ketika
partikel memiliki massa, mereka memiliki kemampuan untuk bergabung membentuk
bintang-bintang dan planet-planet dalam alam semesta.
Referensi lebih lanjut silakan baca di :
Ellis, J, Gaillard
M, K, Nanopoulos DV. A Historical Profile of the Higgs Boson. World
Scientific (2016). hal 255-271
Csaki, C,
Tanedo, P. Beyond the Standard Model. arXiv:1602.04228v2(2016): hal 3-5
Rajantie, A. Higgs
Cosmology. Phil. Trans. R. Soc. A 376: 20170128 (2018) : hal 1-6
No comments:
Post a Comment