Apakah MASSA Itu?

Fisikawan sedang memburu partikel yang sukar dipahami yang akan mengungkap kehadiran sebuah medan jenis baru yang merembesi semua realitas. Penemuan medan Higgs tersebut akan memberi kita pemahaman lebih lengkap tentang bagaimana alam semesta bekerja

Kebanyakan orang berpikir dirinya tahu apa itu massa, tapi mereka hanya memahami sebagian dari cerita tersebut. Contoh, seekor gajah jelas lebih besar dan lebih berat daripada seekor semut. Tanpa kehadiran gravitasi pun, gajah akan memiliki massa lebih besar—ia akan lebih sulit untuk didorong dan digerakkan. Tak pelak, gajah lebih masif lantaran terbuat dari jauh lebih banyak atom dibanding semut, tapi apakah yang menentukan massa masing-masing atom? Bagaimana dengan partikel-partikel unsur yang menyusun atom—apa yang menentukan massa mereka? Bahkan, mengapa mereka mempunyai massa?

Kita lihat bahwa persoalan massa memiliki dua aspek terpisah. Pertama, kita perlu mempelajari bagaimana massa timbul sama sekali. Ternyata massa dihasilkan dari sekurangnya tiga mekanisme berbeda, yang akan saya gambarkan di bawah. Pemain kunci dalam teori-teori sementara para fisikawan mengenai massa adalah medan jenis baru yang merembesi semua realitas, disebut medan Higgs. Massa partikel unsur dianggap berasal dari interaksi dengan medan Higgs. Jika medan Higgs eksis, teori menuntut bahwa ia memiliki partikel, boson Higgs. Memakai akselerator partikel, ilmuwan kini tengah memburu Higgs.

Aspek kedua adalah bahwa ilmuwan ingin tahu mengapa berbagai jenis partikel unsur memiliki kuantitas massa spesifik. Massa intrinsik mereka berselisih sekurangnya 11 orde magnitudo, tapi kita belum tahu mengapa mesti demikian . Sebagai perbandingan, gajah dan semut terkecil berselisih massa sekitar 11 orde magnitudo.

Apa Sebenarnya Massa?

Isaac Newton mengajukan definisi ilmiah terawal tentang massa pada 1687 dalam karya mahsyurnya, Principia: “Kuantitas materi adalah ukuran materi, timbul dari densitas dan besarnya secara bersama.” Definisi amat dasar tersebut cukup bagus bagi Newton dan ilmuwan lain selama lebih dari 200 tahun. Mereka paham bahwa sains pertama-tama harus memulai dengan menggambarkan bagaimana segala sesuatu bekerja dan kemudian memahami sebabnya. Namun, pada tahun-tahun belakangan, penyebab massa telah menjadi topik riset dalam fisika. Pemahaman makna dan asal-usul massa akan melengkapi dan memperluas Standard Model fisika partikel, teori berkedudukan kuat yang menggambarkan partikel-partikel unsur yang dikenal dan interaksinya. Itu juga akan memecahkan misteri-misteri seperti dark matter, yang menyusun sekitar 25 persen alam semesta.

Fondasi pemahaman modern kita akan massa jauh lebih ruwet daripada definisi Newton dan didasarkan pada Standard Model. Di jantung Standard Model terdapat sebuah fungsi matematis yang disebut fungsi Lagrangian, yang merepresentasikan bagaimana beragam partikel berinteraksi. Dari fungsi tersebut, dengan mengikuti aturan yang dikenal sebagai teori quantum relativistik, fisikawan dapat mengkalkulasi perilaku partikel-partikel unsur, termasuk bagaimana mereka bersatu membentuk partikel senyawa, seperti proton. Baik untuk partikel unsur maupun partikel senyawa, kita kemudian dapat mengkalkulasi bagaimana mereka akan merespon gaya, dan untuk gaya F, kita dapat menulis persamaan Newton F = ma, yang menghubungkan gaya, massa, dan percepatan yang dihasilkan. Lagrangian memberitahu kita apa yang harus dipakai untuk m di sini, dan itulah yang dimaksud dengan massa partikel.

Tapi massa, sebagaimana kita biasa pahami, tak hanya muncul dalam F = ma saja. Contoh, teori relativitas khusus Einstein memprediksi bahwa partikel-partikel tak bermassa di ruang vakum berjalan pada kecepatan cahaya dan bahwa partikel-partikel bermassa berjalan lebih lambat, dengan suatu cara yang bisa dikalkulasi bila kita mengetahui massa mereka. Hukum gravitasi tersebut memprediksi bahwa gravitasi beraksi terhadap massa dan juga energi, dengan cara yang presisi. Kuantitas m yang disimpulkan dari Lagrangian untuk tiap partikel berperilaku tepat dengan semua cara itu, persis sebagaimana kita sangkakan untuk massa tertentu.

Overview

Massa adalah atribut materi keseharian, tapi dalam banyak hal sebetulnya ia misterius bagi ilmuwan. Bagaimana partikel unsur memperoleh massa, dan mengapa mereka memiliki massa spesifik?
Jawaban terhadap pertanyaan-pertanyaan tersebut akan membantu teoris melengkapi dan memperluas Standard Model fisika partikel, yang menggambarkan fisika yang mengatur alam semesta. Standard Model yang diperluas mungkin juga membantu memecahkan teka-teki dark matter tak tampak yang menyusun sekitar 25 persen kosmos.
Teori-teori menyatakan bahwa partikel unsur memperoleh massa dengan berinteraksi dengan sebuah medan quantum yang merembesi semua realitas. Eksperimen di akselerator partikel mungkin segera mendeteksi bukti langsung medan yang disebut Higgs ini.

Partikel-partikel fundamental memiliki massa intrinsik yang dikenal sebagai massa diam (partikel bermassa diam nol disebut tak bermassa). Untuk partikel senyawa, massa diam konstituennya dan juga energi kinetik geraknya dan energi potensial interaksinya berkontribusi terhadap massa total partikel tersebut. Energi dan massa adalah terhubung, sebagaimana digambarkan oleh persamaan terkenal Einstein, E = mc2 (energi sama dengan massa kali kecepatan cahaya kuadrat).

Contoh energi yang berkontribusi terhadap massa terdapat pada jenis materi paling familiar di alam semesta—proton dan neutron yang menyusun nukleus atom pada bintang, planet, manusia, dan segala yang kita lihat. Partikel ini berjumlah 4 sampai 5 persen massa-energi alam semesta. Standard Model memberitahu kita bahwa proton dan neutron tersusun dari partikel-partikel unsur bernama quark yang diikat oleh partikel-partikel tak bermassa yang disebut gluon. Walaupun konstituen-konstituen tersebut berputar-putar di dalam tiap proton, dari luar kita melihat proton sebagai objek koheren dengan massa intrinsik, yang ditentukan oleh penambahan massa dan energi konstituennya.

Standard Model mengizinkan kita mengkalkulasi bahwa hampir semua massa proton dan neutron berasal dari energi kinetik konstituen mereka, quark dan gluon (sisanya adalah dari massa diam quark). Jadi, sekitar 4 sampai 5 persen alam semesta keseluruhan—hampir semua materi familiar di sekeliling kita—berasal dari energi gerak quark dan gluon dalam proton dan neutron.

Mekanisme Higgs

Tak seperti proton dan neutron, partikel-partikel yang sungguh elementer—seperti quark dan elektron—bukan terbuat dari kepingan lebih kecil. Penjelasan tentang bagaimana mereka mendapatkan massa diam menjadi jantung persoalan asal-usul massa. Sebagaimana saya catat di atas, keterangan yang diajukan oleh fisika teoritis kontemporer adalah bahwa massa partikel fundamental timbul dari interaksi dengan medan Higgs. Tapi mengapa medan Higgs hadir di seantero alam semesta? Mengapa kekuatannya tidak nol pada skala kosmik, seperti medan elektromagnet? Apa itu medan Higgs?

Medan Higgs adalah sebuah medan quantum. Kedengarannya misterius, tapi faktanya adalah bahwa semua partikel unsur timbul sebagai quantum sebuah medan quantum bersangkutan. Medan elektromagnet juga merupakan medan quantum (partikel unsurnya adalah photon). Jadi dalam hal ini, medan Higgs tidak lebih enigmatik daripada elektron dan cahaya. Namun, medan Higgs memang berbeda dari semua medan quantum lain dalam tiga hal krusial.

Perbedaan pertama agak teknis. Semua medan mempunyai atribut yang disebut pusingan, kuantitas intrinsik momentum siku-siku yang dimiliki oleh tiap partikelnya. Partikel-partikel seperti elektron mempunyai pusingan ½ dan sebagian besar partikel yang diasosiasikan dengan gaya, seperti photon, mempunyai pusingan 1. Boson Higgs (partikel medan Higgs) mempunyai pusingan 0. Mempunyai pusingan 0 membolehkan medan Higgs untuk muncul dalam Lagrangian secara berbeda dibanding partikel-partikel lain, yang pada gilirannya memperkenankan—dan menghasilkan—dua fitur istimewa lainnya.

Atribut Higgs yang Sukar Dimengerti

Atribut unik kedua medan Higgs menjelaskan bagaimana dan mengapa ia memiliki kekuatan non-nol di seantero alam semesta. Sistem apapun, termasuk alam semesta, akan terguling ke status energi terendahnya, seperti sebuah bola yang mempelanting ke dasar lembah. Untuk medan-medan familiar, seperti medan elektromagnet yang memberi kita siaran radio, status energi terendahnya adalah status di mana medan memiliki harga nol (dengan kata lain, medan lenyap)—jika suatu medan non-nol dimasukkan, energi yang tersimpan di medan-medan tadi menaikkan netto energi sistem. Tapi untuk medan Higgs, energi alam semesta adalah lebih rendah jika medan tersebut tidak nol melainkan justru memiliki harga konstan non-nol. Dari segi metafora lembah, untuk medan-medan biasa, lantai lembahnya berada di lokasi medan nol; untuk Higgs, lembah tersebut mempunyai bukit kecil di pusatnya (di medan nol) dan titik terendah lembah membentuk sebuah lingkaran di sekeliling bukit kecil itu . Alam semesta, seperti sebuah bola, jadi berhenti di suatu tempat di parit sirkuler ini, yang dapat disamakan dengan harga non-nol medan tersebut. Dengan kata lain, dalam status energi terendahnya, alam semesta dirembesi oleh medan Higgs non-nol.

Karakteristik istimewa terakhir medan Higgs adalah bentuk interaksinya dengan partikel lain. Partikel-partikel yang berinteraksi dengan medan Higgs berperilaku seolah-olah mereka mempunyai massa, proporsional dengan kekuatan medan kali kekuatan interaksi. Massa timbul dari suku-suku dalam Lagrangian yang mempunyai partikel-partikel yang berinteraksi dengan medan Higgs.

Namun, pemahaman kita atas ini belum lengkap, dan kita tidak yakin berapa banyak jenis medan Higgs yang ada. Walaupun Standard Model hanya membutuhkan satu medan Higgs untuk menghasilkan semua massa partikel unsur, fisikawan tahu bahwa Standard Model harus digantikan oleh teori yang lebih lengkap. Pesaing utama adalah ekstensi Standard Model yang dikenal sebagai Supersymmetric Standard Model (SSM). Dalam model-model ini, tiap partikel Standard Model mempunyai apa yang disebut superpartner (belum terdeteksi) dengan atribut terkait erat [lihat “The Dawn of Physics beyond the Standard Model”, tulisan Gordon Kane, Special Edition Scientific American – The Frontiers of Physics, 2006]. Dengan Supersymmetric Standard Model, sekurangnya dua jenis medan Higgs berbeda dibutuhkan. Interaksi dengan dua medan ini memberikan massa pada partikel-partikel Standard Model. Mereka juga memberikan beberapa (tapi tidak semua) massa pada superpartner. Dua medan Higgs melahirkan lima jenis boson Higgs: tiga yang netral secara elektris dan dua yang bermuatan. Massa partikel-partikel yang disebut neutrino, yang amat kecil dibandingkan dengan massa partikel lain, dapat timbul secara tak langsung dari interaksi ini atau dari jenis medan Higgs ketiga.

Para teoris punya beberapa alasan untuk menyangka gambaran interaksi Higgs SSM benar. Pertama, tanpa mekanisme Higgs, boson W dan Z yang memediasi gaya lemah akan tak bermassa, seperti photon (yang terkait dengan mereka), dan interaksi lemah akan sekuat interaksi elektromagnetik. Teori berpandangan bahwa mekanisme Higgs menganugerahkan massa kepada boson W dan Z dengan cara yang sangat istimewa. Prediksi-prediksi pendekatan tersebut (seperti rasio massa boson W dan Z) telah dikonfirmasikan secara eksperimen.

Kedua, pada esensinya semua aspek lain Standard Model telah teruji baik, dan dengan teori bersambungan sedetail itu sulit sekali mengubah satu bagian (misalnya Higgs) tanpa mempengaruhi sisanya. Contoh, analisis pengukuran presisi atribut boson W dan Z membawa pada prediksi akurat massa top quark sebelum top quark dihasilkan secara langsung. Pengubahan mekanisme Higgs akan merusak prediksi tersebut dan prediksi sukses lainnya.

Ketiga, mekanisme Higgs Standard Model bekerja sangat baik untuk memberikan massa pada semua partikel Standard Model, boson W dan Z, juga quark dan lepton; proposal alternatif biasanya tidak. Selanjutnya, tak seperti teori-teori lain, SSM menyediakan kerangka untuk menyatukan pemahaman kita akan gaya-gaya alam. Terakhir, SSM dapat menjelaskan mengapa “lembah” energi untuk alam semesta memiliki bentuk yang dibutuhkan oleh mekanisme Higgs. Dalam Standard Model dasar, bentuk lembah harus dimasukkan sebagai postulat, tapi dalam SSM bentuk tersebut bisa diperoleh secara matematis.

Menguji Teori

Tentu saja, fisikawan ingin menjalankan pengujian langsung terhadap ide bahwa massa timbul dari interaksi dengan medan-medan Higgs berbeda. Kita bisa menguji tiga fitur kunci. Pertama, kita dapat mencari partikel-partikel tanda yang disebut boson Higgs. Quantum-quantum ini harus eksis, kalau tidak, penjelasan tersebut tidak benar. Fisikawan saat ini sedang mencari boson Higgs di Tevatron Collider di Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, Illinois.

Kedua, sekali mereka terdeteksi, kita dapat mengamati bagaimana boson-boson Higgs tersebut berinteraksi dengan partikel lain. Suku-suku dalam Lagrangian yang menentukan massa partikel juga menentukan atribut interaksi demikian. Jadi kita dapat menjalankan eksperimen untuk menguji secara kuantitatif kehadiran suku-suku interaksi bertipe tersebut. Kekuatan interaksi dan jumlah massa partikel terhubung secara unik.

Ketiga, set medan-medan Higgs berbeda, sebagaimana terdapat dalam Standard Model atau berbagai SSM, mengimplikasikan set boson-boson Higgs berbeda dengan berbagai atribut, jadi pengujian dapat membedakan alternatif-alternatif ini pula. Yang perlu dilakukan untuk menjalankan pengujian adalah particle collider yang tepat—memiliki energi memadai untuk menghasilkan boson-boson Higgs berbeda, memiliki intensitas memadai untuk menghasilkan cukup banyak, dan memiliki detektor sangat bagus untuk menganalisis yang dihasilkan.

Persoalan praktis dalam pelaksanaan pengujian demikian adalah bahwa kita belum memahami teori-teori secara cukup baik untuk mengkalkulasi berapa massa yang semestinya dimiliki boson Higgs, yang menjadikan pencarian mereka lebih sulit sebab kita harus memeriksa sederetan massa. Kombinasi argumentasi teoritis dan data dari eksperimen memandu kita tentang berapa kira-kira massa yang harus disangkakan.

Inventarisasi Kosmik
Teori medan Higgs menjelaskan bagaimana partikel-partikel unsur, blok penyusun terkecil alam semesta, memperoleh massa mereka. Tapi mekanisme Higgs bukan satu-satunya sumber massa-energi di alam semesta [“massa-energi” merujuk pada massa dan energi, yang dihubungkan oleh ε = mc2-nya Einstein].

Sekitar 70 persen massa-energi alam semesta berbentuk apa yang disebut dark energy, yang tidak diasosiasikan langsung dengan partikel. Tanda utama eksistensi dark energy adalah bahwa perluasan alam semesta sedang mencepat. Sifat persis dark energy merupakan salah satu pertanyaan terbuka paling mendalam dalam fisika.

30 persen massa-energi alam semesta berasal dari materi, partikel bermassa. Jenis materi paling familiar adalah proton, neutron, dan elektron, yang menyusun bintang, planet, manusia, dan segala yang kita lihat. Partikel-partikel ini menyediakan sekitar seperenam materi alam semesta, atau 4 sampai 5 persen dari alam semesta keseluruhan. Sebagaimana dijelaskan dalam teks utama, sebagian besar massa ini timbul dari energi gerakan quark dan gluon yang berputar-putar di dalam proton dan neutron.

Kontribusi paling kecil terhadap materi alam semesta berasal dari partikel yang disebut neutrino, yang terdiri dari tiga macam. Neutrino memiliki massa tapi kecil. Massa absolut neutrino belum diukur, tapi data yang ada menaruh batas atas pada mereka—kurang dari setengah persen dari alam semesta.

Hampir semua sisa materi—sekitar 25 persen dari total massa-energi alam semesta—adalah materi yang tak bisa kita lihat, disebut dark matter. Kita menyimpulkan eksistensinya dari efek gravitasinya terhadap apa yang kita lihat. Kita belum tahu apa sebetulnya dark matter ini, tapi ada kandidat-kandidat bagus, dan eksperimen-eksperimen sedang berjalan untuk menguji beragam ide [lihat “The Search for Dark Matter”, tulisan David B. Cline; Scientific American, Maret 2003]. Dark matter mestinya tersusun dari partikel-partikel masif sebab membentuk gumpalan seukuran galaksi akibat efek gaya gravitasi. Berbagai argumen memperkenankan kita menyimpulkan bahwa dark matter tidak mungkin tersusun dari partikel-partikel normal Standard Model

Kandidat utama partikel dark matter adalah superpartner teringan [LSP], yang dibahas lebih detail dalam teks utama. Superpartner teringan terdapat dalam ekstensi Standard Model yang disebut Supersymmetric Standard Model. Massa LSP diduga sekitar 100 massa proton. Bahwa LSP merupakan kandidat bagus untuk dark matter, itu sudah diakui oleh para teoris sebelum kosmolog tahu bahwa sebuah bentuk materi fundamental baru diperlukan untuk menjelaskan dark matter.

Large Electron-Positron Collider (LEP) di CERN, laboratorium Eropa untuk fisika partikel dekat Jenewa, beroperasi di atas sederetan massa sehingga mempunyai peluang signifikan untuk mencakupi boson Higgs. Ia tidak menemukan satupun—walaupun ada bukti menggiurkan untuk satu [boson] yang persis berada di batas energi dan intensitas collider itu—sebelum ditutup pada 2000 untuk memberi ruang bagi pembangunan fasilitas baru, Large Hadron Collider (LHC) CERN. Karenanya Higgs harus lebih berat dari 120 massa proton. Namun demikian, LEP betul-betul menghasilkan bukti tak langsung bahwa boson Higgs eksis: para pelaksana eksperimen di LEP melakukan sejumlah pengukuran presisi, yang bisa dikombinasikan dengan pengukuran serupa dari Tevatron dan collider di Stanford Linear Accelerator Center. Seluruh set data sejalan baik dengan teori hanya jika suatu interaksi partikel dengan boson Higgs teringan dicakupkan dan hanya jika boson Higgs teringan itu tidak lebih berat dari sekitar 200 massa proton. Itu menyediakan batas atas massa boson Higgs bagi para periset, sehingga membantu memfokuskan pencarian.

Untuk beberapa tahun mendatang, satu-satunya collider yang dapat menghasilkan bukti langsung boson Higgs adalah Tevatron. Energinya cukup untuk menemukan boson Higgs dalam deretan massa yang diimplikasikan oleh bukti tak langsung LEP, jika ia bisa konsisten mencapai intensitas sorot yang diharapkan, yang sejauh ini belum mungkin. Pada 2007, LHC, yang tujuh kali lebih energetik dan dirancang untuk memiliki intensitas jauh lebih tinggi daripada Tevatron, dijadwalkan mulai mengambil data. Ia akan menjadi pabrik boson Higgs (artinya ia akan menghasilkan banyak partikel dalam sehari). Dengan asumsi bahwa LHC berfungsi sesuai rencana, mengumpulkan data relevan dan mempelajari bagaimana menafsirkannya semestinya memakan waktu satu sampai dua tahun. Pelaksanaan pengujian lengkap yang menunjukkan secara detail bahwa interaksi dengan medan Higgs memberikan massa akan memerlukan collider elektron-positron baru di samping LHC (yang menubrukkan proton) dan Tevatron (yang menubrukkan proton dan antiproton).

Dark Matter

Berkenaan dengan dark matter, partikel kunci SSM adalah superpartner teringan (LSP/lightest superpartner). Di antara superpartner partikel-partikel Standard Model yang diprediksi oleh SSM, LSP merupakan superpartner bermassa terendah. Kebanyakan superpartner membusuk cepat menjadi superpartner bermassa lebih rendah, serentetan pembusukan yang berakhir dengan LSP, yang stabil lantaran tak bisa membusuk menjadi partikel lebih ringan. (Saat sebuah superpartner membusuk, sekurangnya salah satu produk pembusukan semestinya menjadi superpartner lain; ia tidak mesti membusuk sepenuhnya menjadi partikel-partikel Standard Model.) Partikel-partikel superpartner telah tercipta di awal big bang tapi kemudian cepat membusuk menjadi LSP-LSP. LSP adalah partikel kandidat utama untuk dark matter.

Boson Higgs mungkin juga mempengaruhi langsung jumlah dark matter di alam semesta. Kita tahu bahwa jumlah LSP hari ini semestinya kurang dari jumlah sesaat setelah big bang, sebab beberapanya telah bertubrukan dan hancur menjadi quark, lepton, dan photon, dan laju penghancuran mungkin dipengaruhi oleh LSP-LSP yang berinteraksi dengan boson-boson Higgs.

Sebagaimana tadi disebutkan, dua medan Higgs SSM dasar memberikan massa kepada partikel-partikel Standard Model dan beberapa massa kepada superpartner, seperti LSP. Superpartner memperoleh massa lainnya via interaksi tambahan, barangkali dengan medan Higgs yang lebih jauh lagi atau dengan medan-medan yang mirip Higgs. Kita punya model teoritis bagaimana proses-proses ini bisa terjadi, tapi sebelum kita memiliki data tentang superpartner itu sendiri, kita takkan tahu secara detail bagaimana mereka bekerja. Data semacam itu diharapkan dari LHC atau bahkan barangkali Tevatron.

Massa Neutrino mungkin juga timbul dari interaksi dengan medan Higgs tambahan atau medan mirip-Higgs, dengan cara yang sangat menarik. Neutrino mulanya dianggap tak bermassa, tapi sejak tahun 1979 para teoris telah memprediksi bahwa neutrino mempunyai massa kecil, dan pada dekade terakhir atau lebih beberapa eksperimen mengesankan telah mengkonfirmasi prediksi tersebut [lihat “Solving the Solar Neutrino Problem”, tulisan Arthur B. Mc-Donald, Joshua R. Klein and David L. Wark, Special Edition Scientific American – The Frontiers of Physics, 2006]. Massa neutrino kurang dari sepersejuta ukuran massa terkecil berikutnya, massa elektron. Karena neutrino bersifat netral secara elektris, deskripsi teoritis massa mereka lebih halus daripada partikel bermuatan. Beberapa proses berkontribusi terhadap massa tiap-tiap jenis neutrino, dan karena alasan teknis, harga massa aktual muncul dari pemecahan sebuah persamaan ketimbang sekadar penambahan suku.

Jadi, kita telah memahami tiga cara bagaimana massa timbul: bentuk utama massa yang kita kenal—yakni proton, neutron, dan karenanya atom—datang dari gerakan quark yang terikat dalam proton dan neutron. Massa proton adalah sekitar harga semestinya, meski tanpa medan Higgs. Namun, massa quark sendiri, dan juga massa elektron, sepenuhnya ditimbulkan oleh medan Higgs. Massa-massa itu akan lenyap tanpa Higgs. Terakhir, tapi tentu tak kalah pentingnya, kebanyakan jumlah massa superpartner, dan karenanya massa partikel dark matter (jika memang merupakan superpartner teringan), datang dari interaksi tambahan selain interaksi Higgs dasar.

Terakhir, kita mempertimbangkan sebuah isu yang dikenal sebagai family problem (persoalan keluarga). Pada setengah abad terakhir, fisikawan telah menunjukkan bahwa dunia yang kita lihat, mulai dari manusia, bunga, sampai bintang, dibangun dari enam partikel saja: tiga partikel materi (up quark, down quark, dan elektron), dua quantum gaya (photon dan gluon), dan boson Higgs—penjelasan menakjubkan dan luar biasa sederhana. Tapi masih ada empat quark lain, dua partikel lain yang serupa dengan elektron, dan tiga neutrino. Semuanya berumur sangat pendek atau hampir tidak berinteraksi dengan enam partikel tadi. Mereka bisa digolongkan ke dalam tiga keluarga: up, down, elektron-neutrino, elektron; charm, strange, muon-neutrino, muon; dan top, bottom, tau-neutrino, tau. Partikel-partikel di tiap keluarga mempunyai interaksi yang identik dengan partikel di keluarga lain. Mereka berbeda sedikit, yaitu bahwa partikel di keluarga kedua adalah lebih berat daripada partikel di keluarga pertama, dan partikel di keluarga ketiga adalah lebih berat [daripada partikel di keluarga kedua]. Karena massa-massa ini timbul dari interaksi dengan medan Higgs, partikel-partikel harus mempunyai interaksi berlainan dengan medan Higgs.

Karenanya, persoalan keluarga mempunyai dua bagian: Mengapa ada tiga keluarga padahal hanya satu yang dibutuhkan untuk menggambarkan dunia yang kita lihat? Mengapa keluarga-keluarga tersebut berselisih massa dan bermassa tertentu? Boleh jadi tidak jelas mengapa fisikawan keheranan bahwa alam mengandung tiga keluarga yang hampir identik sekalipun seseorang juga akan terheran. Ini lantaran kita ingin sepenuhnya memahami hukum alam dan partikel dasar dan gaya. Kita berharap setiap aspek hukum dasar adalah aspek yang dibutuhkan. Sasarannya adalah memiliki teori di mana semua partikel dan rasio massa mereka muncul tak terelakkan, tanpa membuat asumsi khusus mengenai harga massa dan tanpa menyetel parameter. Jika memiliki tiga keluarga adalah esensial, maka ini adalah petunjuk yang signifikansinya saat ini tidak dipahami.

Mempertalikan Semuanya

Standard Model dan SSM dapat mengakomodasi struktur keluarga yang teramati, tapi mereka tidak dapat menjelaskannya. Ini adalah pernyataan keras. Ini bukan berarti SSM belum menjelaskan struktur keluarga, melainkan ia tidak bisa menjelaskannya. Bagi saya, aspek paling menarik dalam teori string bukan hanya bahwa ia mungkin menyediakan kita teori quantum semua gaya tapi juga bahwa ia mungkin memberitahu kita apa itu partikel unsur dan mengapa ada tiga keluarga. Teori string kelihatannya mampu menjawab pertanyaan mengapa interaksi dengan medan Higgs berbeda di antara keluarga-keluarga tersebut. Dalam teori string, pengulangan keluarga bisa terjadi, dan mereka tidak identik. Perbedaan mereka digambarkan oleh atribut-atribut yang tidak mempengaruhi gaya kuat, gaya lemah, gaya elektromagnet, atau gaya gravitasi tapi mempengaruhi interaksi dengan medan-medan Higgs, cocok dengan penemuan tiga keluarga bermassa berbeda. Walaupun para teoris string belum sepenuhnya memecahkan persoalan penemuan tiga keluarga, teori ini kelihatannya memiliki struktur benar untuk menyediakan solusi. Teori string memperkenankan banyak struktur keluarga berbeda, dan sejauh ini tak seorang pun yang tahu mengapa alam memilih struktur yang kita amati daripada struktur lain [lihat “Pemandangan Teori String”, tulisan Raphael Bousso dan Joseph Polchinski]. Data mengenai massa quark dan lepton dan massa superpartner mereka mungkin menyediakan petunjuk utama untuk mengajari kita tentang teori string.

Kita kini dapat memahami mengapa memakan waktu begitu panjang secara historis untuk mulai memahami massa. Tanpa Standard Model fisika partikel dan perkembangan teori medan quantum untuk menggambarkan partikel dan interaksinya, fisikawan bahkan tidak dapat merumuskan pertanyaan yang benar. Sementara asal-usul dan harga massa belum dipahami sepenuhnya, kemungkinan besar kerangka yang diperlukan untuk memahaminya sudah ada di tempatnya. Massa tidak dapat dipahami sebelum ada teori-teori seperti Standard Model dan ekstensi supersimetrisnya serta teori string. Apakah mereka memang menyediakan jawaban lengkap, itu belum jelas, tapi massa kini merupakan topik riset rutin dalam fisika partikel.






Sumber: Special Edition Scientific American – The Frontiers of Physics, 2006, hal. 32-39

Tweet