Elementary Particles

Gregory Choppin, et.al. 2013. Radiochemistry and Nuclear Chemistry. UK: Elsevier. (Chapter 2)

• Elektron, proton, dan neutron adalah partikel elementer yang paling dikenal.

• Namun, pada peristiwa tumbukan inti dengan energi sangat tinggi, misalnya saat partikel luar angkasa berenergi tinggi menembus atmosfer, terbentuk partikel elementer lain.

• Pembentukan partikel tersebut juga bisa dibuat di Bumi menggunakan akselerator partikel skala besar, seperti yang berada di CERN.

Sedikit Tentang CERN(The European Organization for Nuclear Research)

• Partikel elementer (selain p, e, n) mulai ditemukan tahun 1947 pada gambar cloud chamber untuk sinar kosmik.

• Sejak itu, berbagai percobaan dilakukan, dan ditemukan banyak partikel elementer baru.

• Percobaan dilakukan pada akselerator partikel, dengan kemampuan akselerasi hingga orde TeV.

• Energi kinetik yang besar memungkinkan terjadinya interaksi antarpartikel yang mengubah energi kinetik menjadi materi.

• Contoh gambar hasil detektor untuk reaksi annihilasi antiproton pada bubble chamber

Bubble Chamber

A bubble chamber is a vessel filled with a superheated transparent liquid (most often liquid hydrogen) used to detect electrically charged particles moving through it. It was invented in 1952 by Donald A. Glaser, for which he was awarded the 1960 Nobel Prize in Physics.

• Cloud chambers work on the same principles as bubble chambers, but are based on supersaturated vapor rather than superheated liquid. While bubble chambers were extensively used in the past, they have now mostly been supplanted by wire chambers and spark chambers.

• The bubble chamber is similar to a cloud chamber, both in application and in basic principle. It is normally made by filling a large cylinder with a liquid heated to just below its boiling point. As particles enter the chamber, a piston suddenly decreases its pressure, and the liquid enters into a superheated, metastable phase. Charged particles create an ionisation track, around which the liquid vaporises, forming microscopic bubbles. Bubble density around a track is proportional to a particle's energy loss.

• The entire chamber is subject to a constant magnetic field, which causes charged particles to travel in helical paths whose radius is determined by their charge-to-mass ratios and their velocities. Since the magnitude of the charge of all known charged, long-lived subatomic particles is the same as that of an electron, their radius of curvature must be proportional to their momentum. Thus, by measuring their radius of curvature, their momentum can be determined.

Forces of Nature

• Empat gaya dasar di alam dari yang paling lemah ke yang paling kuat:

• The fourth major force in nature is the nuclear force. This force is also known as the strong interaction force and is the one responsible for holding nuclear particles together.

• Undoubtedly it is the strongest in nature but operates only over the very short distance of approximately 10-14 m and saturates rapidly, i.e. only a few nucleons are involved.

• Whereas electromagnetism binds electrons to nuclei in atoms with an energy corresponding to a few electron volts, the strong interaction force holds nucleons together in nuclei with energies corresponding to millions of electron volts.

• The carrier of the strong interaction force is recognized to be the gluon.

• One characteristic of leptons is that they seem to be quite immune to the strong interaction force.

Dualisme Gelombang dan Partikel

• Energi suatu cahaya bergantung pada frekuensinya:

h = konstanta Planck = 6,63 x 10-34 J.s

• Dalam teori efek fotolistrik Einstein dan teori

hamburan foton Compton: foton tidak hanya memiliki

energi yang diskrit, tetapi juga momentum diskrit:

• Foton bertumbukan dengan partikel lain seolah-olah memiliki massa yang nyata. Mengikuti pernyataan mekanika klasik untuk momentum: p = m.v, dengan v foton= c, maka, meskipun tidak memiliki massa diam, foton memiliki massa relatif:

• Contoh lain sifat partikel dari foton: - Solar pressure: foton matahari mendorong atom2

dari matahari ke ruang angkasa.- Foton tertarik oleh suatu massa yang besar via

gravitasi , dll.

Dualisme gelombang-partikel de Broglie:• Foton dapat berperilaku seperti partikel yang

bergerak;• Partikel yang bergerak juga memiliki sifat

gelombang

• Sifat gelombang dan partikel dari suatu materi saling melengkapi satu sama lain.

Sifat Beberapa Partikel Elementer• Sifat-sifat partikel elementer (massa, muatan, spin, dll)

dideteksi dan dianalisis dari “jejak” pada gambar bubble chamber.

• Penggolongan partikel menurut massa:- Baryon : partikel berat, sekitar massa proton atau lebih.

Contoh: proton, neutron, hiperon, dan inti atom.- Lepton : partikel ringan, contoh: elektron, neutrino, dan

muon.- Meson : partikel pertengahan, memiliki massa diantara baryon

dan lepton, contoh: π-meson (pion), K-meson (kaon), dll.• Baryon dan meson sering juga disebut hadron (hard/strong

particle) karena keduanya berkontribusi dalam gaya inti (strong nuclear force)

Tabel Partikel Elementer

• Lepton dan nukleon diklasifikasikan sebagai fermion karena memiliki spin yang tidak bulat (+/- ½), mengikuti aturan statistik yang diajukan Fermi dan Dirac (sesuai prinsip larangan Pauli).

• Fermion dapat diciptakan atau dimusnahkan dengan melibatkan anti-partikelnya.

• Fermion merupakan pembangun (building blocks) alam.

• Foton dan meson diklasifikasikan sebagai boson.• Boson merupakan pembawa gaya (carriers of

forces)• Ketika dua fermion berinteraksi, boson diemisikan

atau diserap secara terus-menerus.• Boson memiliki spin yang bulat, 0 dan 1, sehingga

tidak mengikuti asas larangan Pauli, tidak disertai pembentukan anti-partikel pada reaksinya.

• Paul Dirac (1928) mengajukan alternatif pada persamaan Schrodinger:

• Solusi energi yang negatif dari persamaan tersebut melahirkan hole theory.

• Partikel (kecuali foton dan meson) memiliki anti-partikel (ditandai dengan garis di atas simbol partikel). Jika suatu materi terdiri dari proton, neutron, dan elektron, maka anti-materi tersusun atau antiproton, antineutron, dan antielektron (positron).

• Prinsip simetri : alam semesta tersusun atas materi dan anti-materi. Maka di alam semesta seharusnya terdapat suatu galaksi yang tersusun atas antimateri. Ketika galaksi antimateri ini bertumbukan dengan galaksi materi (koino matter galaxy), maka akan terjadi annihilasi, melepaskan energi yang sangat besar.

Neutrino

• Neutrino dihasilkan pada proses peluruhan elektron.

• Diprediksikan keberadaannya oleh Pauli (1927), dan terbukti keberadaannya oleh Reines dan Cowan (1956)

• Terdapat beberapa tipe “lavors” Neutrino, yaitu neutrino elektron, neutrino muon, dan neutrino tau, yang masing-masing memiliki anti-partikelnya.

Quark dan Standard Model

• Spin pada suatu partikel bermuatan mengakibatkan terbentuknya momen magnet sepanjang sumbu rotasi.

• Pada tahun 1930 ditemukan bahwa momen magnet spin proton (Mp = 1,41 x 10-26 J/T) bernilai sekitar 1/700 spin elektron (Me = 9,27 x 10-24 J/T), padahal teori memprediksikan rasio seharusnya adalah 1/1836.

• Ditemukan pula bahwa neutron memiliki momen magnet yang negatif (Mn = -0,97 x 10-26 J/T).

• Satu-satunya penjelasan yang dapat diajukan ilmuwan untuk deviasi pada temuan ini adalah bahwa proton bukan merupakan bola berputar dengan sebaran muatan yang merata, tetapi memiliki beberapa “arus listrik internal”.

Quark dan Standard Model (2)• Neutron juga harusnya memiliki muatan internal yang saling

menyeimbangkan satu sama lainnya sehingga menjadi terlihat tidak bermuatan.

• Maka dari sini mulai diragukan bahwa proton dan neutron merupakan partikel elementer.

• Pada tahu 1960, Hofstadter membuktikan bahwa proton dan neutron memiliki densitas muatan internal yang tidak merata.

• Gell-Mann menyimpulkan bahwa proton dan neutron tersusun atas partikel-partikel yang lebih kecil, dengan bilangan massa dan muatan yang fraksional, yang kemudian dinamakan quark.

• Quark-quark yang menyusun nukleon terikat satu sama lain oleh gluon, yaitu carrier dari gaya inti.

Quark dan Standard Model (3)• Manusia, Bumi, dan alam semesta tersusun atas (> 99%)

quark dan gluon, sedangkan sisanya elektron.• Pertikel elementer terdiri dari dua jenis yaitu quark dan

lepton. Ada 6 jenis quark dan 6 jenis lepton. • Lepton terdiri dari elektron, muon, dan tauon, beserta

neutrinonya masing-masing. • Sementara quark terdiri dari: up, down, charm, strange, top,

and bottom quark. • Total 12 elementary building blocks (24 jika dihitung dengan

antipartikelnya). • Quark dan lepton digolongkan menjadi 3 kategori yang

masing-masing terdiri dari 2 quark dan 2 lepton.

Quark dan Standard Model (4)• Standard Model

Quark dan Standard Model (5)• Materi terbagi menjadi tiga kelas/family:

Quark dan Standard Model (6)• Materi di alam termasuk pada kelas/family pertama: lepton-

elektron dan neutrino elektron bergabung dengan quark-up quark dan down quark.

• Proton tersusun atas 2 up-quark dan 1 down quark, sehingga memiliki massa total 1, dan muatan +1.

• Neutron tersusun atas 1 up-quark dan 2-down quark, sehingga muatannya 0, dan massanya 1.

• Peluruhan neutron menjadi proton menurut quark model: satu d-quark berubah menjadi u-quark dengan mengemisikan elektron dan anti-neutrino.

Quark dan Standard Model (7)• Aturan reaksi tambahan: 1. jumlah lepton harus tetap. Jumlah lepton minus antilepton di

kedua ruas harus sama.2. Jumlah quark harus tetap3. Muatan kedua ruas harus sama

• Hadrons mengandung 3 quark/anti-quark• Meson mengandung 2 quark/anti-quark• Quark hanya bisa berada dalam kelompok 2 atau 3.• Materi kelas/family kedua dan ketiga terbentuk pada reaksi

partikel energi tinggi.