Peluruhan Proton (Proton Decay)

Para ahli tentu saja tak puas dengan menggabungkan dua buah gaya saja. Kalau bisa, tidak hanya gaya elektromagnetik dan gaya nuklir lemah saja yang digabungkan, namun semestinya gaya nuklir kuat juga turut digabungkan. Ide dasar penggabungan gaya yang diusulkan sama seperti yang dilakukan dalam penggabungan gaya elektromagnetik dengan gaya nuklir lemah yang menghasilkan gaya elektro-lemah. Namun sayang sekali, kondisi penggabungan gaya nuklir kuat dengan ke tiga gaya lainnya tidak dapat dihasilkan di laboratorium di planet kita. tidaklah mungkin membangun sebuah Siklotron untuk menirukan kondisi seperti yang diperkirakan oleh teori paduan agung, apalagi bila ditambah gaya gravitasi. Pastilah akan memerlukan sebuah siklotron yang panjangnya 100.000 tahun cahaya, itu sama dengan diameter galaksi kita, galaksi Milky Way.

Lalu bagaimana kita dapat menguji kebenaran teori paduan agung yang telah kita rumuskan? yang dapat kita lakukan hanyalah mengamati konsekwensi energi rendahnya saja. Untuk kasus teori paduan agung misalnya, kita berusaha untuk mengamati peluruhan proton alamiah/spontan.

Untuk menentukan apakah sebuah partikel bersifat stabil, harus dilakukan sebuah pengujian apakah peluruhannya berkelakuan melanggar atau tidak pada setiap hukum kekekalan fisika. Selain itu, juga dilakukan pengujian stabilitas partikel yang lebih ringan dari partikel tersebut.
Lalu muncul pertanyaan, bagaimana dengan elektron yang ternyata tidak meluruh menjadi neutrino atau foton yang lebih ringan darinya? jawabnya adalah : sekalipun peluruhan semacam itu tidak melanggar hukum kekekalan energi namun melanggar hukum kekekalan muatan listrik.

Proton adalah salah satu partikel penyusun inti atom. Proton membawa satu satuan muatan listrik positif yang sama besar dengan muatan listrik yang dibawa oleh elektron tapi tandanya berlawanan. Sehingga proton ini pun tidak dapat meluruh menjadi neutrino, foton maupun graviton. Proton kurang lebih 1.840 kali lebih masif dari pada elektron. Karena itulah akan banyak sekali partikel yang lebih ringan darinya. Proton dapat meluruh menjadi partikel-partikel tersebut tanpa melanggar hukum kekekalan energi dan muatan listrik. Misalkan, meluruhnya proton menjadi sebuah positron dan sejumlah foton dan neutrino, juga menjadi sebuah anti-muon dan sejumlah partikel netral (foton dan neutrino).

Ada aturan dalam fisika partikel yang mengatakan bahwa partikel yang lebih ringan dari proton memiliki nomor baryon nol. Hukum kekekalan nomor baryon tidak menghendaki setiap proton kekal, namun menyatakan bahwa proton tidak dapat meluruh secara spontan bila tidak terdapat anti-proton.

Kekekalan nomor baryon ini ekuivalen dengan kekekalan quark netto. Namun akhirnya didapati bahwa nomor baryon ini tidak mempunyai peran dinamik, sehingga nomor ini tidak perlu kekal adanya.

Jika benar nomor baryon tidak kekal, kemungkinan semesta bermula dengan jumlah materi dan anti-materi yang sama. Kemudian terjadi proses fisika yang melanggar kekekalan nomor baryon sehingga terdapat lebih banyak partikel ketimbang anti-partikel saat ini.

Peluruhan proton menjadi mungkin dengan turut campurnya sesuatu yang disebut dengan partikel eksotik. Partikel tersebut dipercaya harus memiliki momentum sudut spin intrinsik 0 dan 1 serta mempunyai warna yang sama dengan warna anti-quark.

Dengan mengasumsikan interaksi partikel ini mirip dengan interaksi foton, waktu hidup proton diperkirakan secara kasar lebih lama dari 10 pangkat 30 tahun. Dan untuk ini diperkirakan massa sang eksotik diperkirakan 10 pangkat 14 massa proton. Massa sebesar ini menyebabkan emisi dan absorpsi partikel hampir tidak mungkin secara eksperimental. Satu-satunya harapan untuk mendeteksi peristiwa peluruhan proton yang melibatkan partikel eksotik ini terletak pada kemungkinan pelanggaran terhadap suatu hukum kekekalan sehingga proses tersebut dimugkinkan.

Salah satu hukum kekekalan tersebut adalah hukum kekekalan nomor baryon. Juga terkait dengan hukum kekekalan jumlah lepton. Pelanggaran terhadap kekekalan jumlah atau nomor lepton adalah massa neutrino yang tidak nol.

Pemonitoran peluruhan proton dilakukan dengan mendeteksi radiasi Cerenkov yang terjadi dalam 150 ton air (eksperimen di Homestake Gold Tunnel, Italia) dan masih banyak yang lain. Jika proton memiliki waktu hidup rerata 10 pangkat 31 tahun akan terdapat peristiwa peluruhan sebanyak 300 tiap tahunnya. (Gempita Tarian Kosmos-Sandy Setiawan).

Standard Model

Dalam fisika partikel model standard, terdapat 6 buah quark sebagai partikel dasar, setiap quark mempunyai pasangan anti-quarknya. Sebagian quark dan anti-quark membangun apa yang disebut dengan meson dan baryon. Kemudian meson dan baryon bisa saja bergabung membentuk apa yang disebut dengan deuteron, atau membentuk meson dan baryon yang baru. Kemudian dalam supersimetri model standard, 6 buah quark tersebut ditambah dengan elektron, tau dan mu serta 3 pasangannya yaitu 3 jenis neutrino, ditambah lagi dengan partikel pembawa gaya yaitu foton, gluon dan partikel W dan Z.

Hadron, Baryon Dan Anti-partikel

Setiap partikel yang terlibat dalam interaksi atau gaya nuklir kuat disebut dengan Hadron. Hadron dipilah menjadi Baryon (termasuk proton dan netron) yang tunduk pada prinsip eksklusi pauli dan Meson yang tidak tunduk pada prinsip eksklusi pauli. Sedangkan Baryon adalah salah satu jenis partikel (termasuk proton dan netron) dan hadron-hadron yang tak stabil (Hiperon). Sedangkan nomor baryon adalah bilangan yang menunjukkan jumlah baryon total yang ada dalam suatu sistem dikurangi jumlah total anti-baryon. Lalu apa yang disebut dengan Anti-partikel itu? anti-partikel adalah partikel dengan massa dan spin yang sama dengan partikel terkaitnya namun dengan nomor baryon, nomor lepton dan muatan listrik yang sama besar namun berlawanan tanda. Setiap jenis partikel mempunyai partikel yang terkait dengannya. Bila sebuah partikel bertumbukan dengan anti-partikelnya mereka saling memusnahkan dan menjadi energi. (Gempita Tarian Kosmos-Sandy Setiawan).

Gluon, Meson Dan Lepton

Gaya nuklir kuat dibawa oleh partikel berspin 1 yang disebut Gluon. Gaya nuklir nuklir kuat mempunyai sifat asymptotic freedom, yaitu sifat quark dan gluon yang bertingkah laku seperti partikel bebas pada energi tinggi. Gluon bertanggung jawab mengikat quark-quark dalam proton dan netron yang membentuk inti atom. Gluon hanya berinteraksi dengan quark, gluon-gluon lain serta dirinya sendiri. Gaya nuklir kuat mengikat quark-quark sedemikian sehingga produk-produk gabungannya tidak memiliki warna atau 'berwarna putih'. Tiga quark dengan jumlahan warna putih terjadi pada proton dan netron. Sedangkan gabungan quark dan anti-quark yang memiliki paduan warna yang menghasilkan 'warna putih' disebut Meson. Sedangkan Meson adalah suatu jenis partikel yang mengalami interaksi atau gaya nuklir kuat (meson K dan meson phi). Lalu apakah Lepton itu? lepton adalah suatu jenis partikel yang tidak terlibat dalam interaksi atau gaya nuklir kuat. Lepton terdiri atas Muon (tau dan mu), Electron dan Neutrino. Sedangkan Muon adalah partikel elementer yang tak stabil dan bermuatan negatif yang serupa dengan elektron namun 207 kali lebih berat. Sedangkan Neutrino adalah partikel materi elementer yang sangat ringan (mungkin juga tidak bermassa diam) dan hanya terpengaruh oleh gaya nuklir lemah dan gaya gravitasi. (Sandy Setiawan-Gempita Tarian Kosmos).

Higgs Mechanism

Dalam model Weinberg-Salam-Glashow, ada sebuah partikel hipotetis yang ikut campur, yaitu partikel higgs. Ke-3 partikel higgs yang ada akan 'dimakan' oleh partikel boson vektor intermediate W+, W- dan Z0 dan kemudian akan menjadi partikel hantu. Namun partikel higgs ke-4 akan tetap terbiarkan dan semestinya dapat diamati. karena foton tidak memakan partikel higgs, maka dalam situasi normal (energi rendah), foton tidaklah bermassa diam, mekanisme inilah yang disebut dengan mekanisme higgs. (Sandy Setiawan-Gempita Tarian Kosmos).

Teori Medan (Medan Skalar Dan Medan Vektor)

Bila kita bicara tentang partikel-partikel tersebut, maka akan selalu terkait dengan apa yang disebut dengan medan. Medan adalah sesuatu yang muncul merambah ruang waktu, tidak seperti partikel yang muncul di hanya satu titik pada suatu saat, seperti halnya sebuah medan magnet. Medan skalar hanya memiliki besar saja pada setiap titik, sedangkan medan vektor memiliki besar dan arah yang diilustrasikan dengan arah panah disetiap titiknya. Dalam teori-teori medan kuantum, medan skalar hanya mempunyai 1 komponen orientasi momentum sudut dan spin, sedangkan medan vektor mempunyai 3 komponen orientasi momentum sudut dan spin. Medan skalar dipresentasikan oleh partikel berspin 0 dan medan vektor dipresentasikan oleh partikel berspin 1.

Empat Gaya Universal

Para ahli menggambarkan seluruh interaksi (gaya) yang ada dia alam ini menjadi empat gaya universal. Bila diurutkan dari yang terkuat sampai yang terlemah yaitu : gaya nuklir kuat, gaya elektromagnetik, gaya nuklir lemah dan gaya gravitasi. Ke empat gaya tersebut berusaha dipadukan menjadi sebuah gaya tunggal, namun upaya tersebut sangat sulit. Sampai saat ini yang telah berhasil dipadu dan telah dikonfirmasi oleh eksperimen adalah gaya listrik dan gaya magnet digabung menjadi gaya elektromagnetik oleh Maxwell. Steven Weinberg, Abdus Salam, dan Sheldon Lee Glashow memadukan gaya elektromagnetik dan gaya nuklir lemah. Teori Weinberg-Salam melibatkan apa yang dikenal dengan "runtuh simetri spontan". Artinya, partikel yang tampak berbeda pada energi rendah akan menjadi tak terbedakan lagi pada energi tinggi. Misalnya, pada energi dibawah 100 GeV, foton akan tampak berbeda dengan partikel W+, W- dan Z, namun pada energi diatas 100 GeV, foton tidak lagi terbedakan dengan ketiga partikel tersebut.

Hal semacam ini juga ditemukan bila kita menggambarkan energi bebas terhadap magnetisasi untuk sebuah magnet batang pada suhu tinggi maupun pada suhu rendah.