Partikel dasar

Pengarang: Leandro Alegsa Tanggal pembuatan: 18 Mei 2022

Dalam fisika, partikel elementer atau partikel fundamental adalah partikel yang tidak terbuat dari partikel lain.

Partikel elementer bisa menjadi salah satu dari dua kelompok: fermion atau boson. Fermion adalah blok pembangun materi dan memiliki massa, sementara boson berperilaku sebagai pembawa gaya untuk interaksi fermion dan beberapa di antaranya tidak memiliki massa. Model Standar adalah cara yang paling diterima untuk menjelaskan bagaimana partikel berperilaku, dan gaya-gaya yang memengaruhinya. Menurut model ini, partikel-partikel dasar dikelompokkan lebih lanjut menjadi quark, lepton, dan boson gauge, dengan boson Higgs memiliki status khusus sebagai boson non-gauge.

Dari partikel-partikel yang membentuk atom, hanya elektron yang merupakan partikel elementer. Proton dan neutron masing-masing terbuat dari 3 quark, yang menjadikannya partikel komposit, partikel yang terbuat dari partikel lain. Quark terikat bersama oleh gluon. Nukleus memiliki medan boson pion yang bertanggung jawab atas gaya nuklir kuat yang mengikat proton dan neutron melawan tolakan elektrostatik antara proton. Pion virtual tersebut terdiri dari pasangan quark antiquark yang lagi-lagi disatukan oleh gluon.

Ada tiga sifat dasar yang menggambarkan partikel elementer: 'massa', 'muatan', dan 'spin'. Setiap properti diberi nilai angka. Untuk massa dan muatan, angkanya bisa nol. Misalnya, foton memiliki massa nol dan neutrino memiliki muatan nol. Sifat-sifat ini selalu tetap sama untuk partikel elementer.

Massa: Sebuah partikel memiliki massa jika dibutuhkan energi untuk meningkatkan kecepatannya, atau untuk mempercepatnya. Tabel di sebelah kanan memberikan massa setiap partikel elementer. Nilai-nilai diberikan dalam MeV/c² s (yang diucapkan megaelectronvolts lebih dari "c" kuadrat), yaitu dalam satuan energi lebih dari kecepatan cahaya kuadrat. Ini berasal dari relativitas khusus, yang mengatakan bahwa energi sama dengan massa kali kuadrat kecepatan cahaya. Semua partikel dengan massa menghasilkan gravitasi. Semua partikel dipengaruhi oleh gravitasi, bahkan partikel tanpa massa seperti foton (lihat relativitas umum).
Muatan listrik: Partikel mungkin memiliki muatan positif, atau negatif, atau tidak sama sekali. Jika satu partikel memiliki muatan negatif, dan partikel lain memiliki muatan positif, kedua partikel saling tertarik satu sama lain. Jika kedua partikel sama-sama memiliki muatan negatif, atau keduanya memiliki muatan positif, kedua partikel terdorong terpisah. Pada jarak pendek, gaya ini jauh lebih kuat daripada gaya gravitasi yang menarik semua partikel bersama-sama. Elektron memiliki muatan -1. Proton memiliki muatan +1. Neutron memiliki muatan rata-rata 0. Quark normal memiliki muatan ⅔ atau -⅓.
Spin: Momentum sudut atau putaran konstan suatu partikel memiliki nilai tertentu, yang disebut bilangan spin-nya. Spin untuk partikel elementer adalah satu atau ½. Sifat spin partikel hanya menunjukkan adanya momentum sudut. Pada kenyataannya, partikel tidak berputar.

Massa dan muatan adalah sifat yang kita lihat dalam kehidupan sehari-hari, karena gravitasi dan listrik mempengaruhi hal-hal yang dilihat dan disentuh manusia. Tetapi spin hanya mempengaruhi dunia partikel subatomik, sehingga tidak dapat diamati secara langsung.

Model Standar partikel elementer. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1.783x10-30 kg.

Fermion

Fermion (dinamai sesuai nama ilmuwan Enrico Fermi) memiliki nomor spin ½, dan merupakan quark atau lepton. Ada 12 jenis fermion yang berbeda (tidak termasuk antimateri). Setiap jenis disebut "rasa". Rasa-rasa tersebut adalah:

Quark: atas, bawah, pesona, aneh, atas, bawah. Quark datang dalam tiga pasang, yang disebut "generasi". Generasi pertama (atas dan bawah) adalah yang paling ringan dan generasi ketiga (atas dan bawah) adalah yang terberat. Salah satu anggota dari setiap pasangan (atas, pesona dan atas) memiliki muatan ⅔. Anggota lainnya (bawah, aneh dan bawah) memiliki muatan -⅓.
Lepton: elektron, muon, tau, neutrino elektron, neutrino muon, neutrino tau. Neutrino memiliki muatan 0, maka awalan neutr-. Lepton lainnya memiliki muatan -1. Setiap neutrino dinamai sesuai dengan lepton aslinya: elektron, muon, dan tauon.

Enam dari 12 fermion dianggap bertahan selamanya: quark atas dan bawah, elektron, dan tiga jenis neutrino (yang terus-menerus berganti rasa). Fermion-fermion lainnya meluruh. Artinya, mereka terurai menjadi partikel lain sepersekian detik setelah mereka diciptakan. Statistik Fermi-Dirac adalah teori yang menjelaskan bagaimana kumpulan fermion berperilaku. Pada dasarnya, Anda tidak dapat memiliki lebih dari satu fermion di tempat yang sama pada saat yang sama.

Boson

Boson, yang dinamai menurut fisikawan India Satyendra Nath Bose, memiliki spin 1. Meskipun sebagian besar boson terbuat dari lebih dari satu partikel, namun ada dua jenis boson elementer:

Boson pengukur: gluon, boson W⁺ dan W^- , boson Z 0, dan foton. Boson-boson ini membawa 3 dari 4 gaya fundamental, dan memiliki spin nomor 1;

Gluon: Gluon adalah partikel tak bermassa dan tak bermuatan, dan mereka adalah pembawa interaksi gaya kuat. Gluon, bersama dengan quark, bergabung bersama untuk membuat partikel komposit yang disebut hadron, yang mencakup proton dan neutron.
Boson W dan Z: Boson W dan Z adalah partikel yang membawa gaya lemah. Boson W memiliki partikel materi (W⁺ ) dan partikel antimateri (W^- ), sedangkan boson Z adalah anti-partikelnya sendiri. Boson W diproduksi dalam peluruhan beta, tetapi segera berubah menjadi neutrino dan elektron. Boson W dan Z keduanya ditemukan pada tahun 1983.
Foton: Foton adalah partikel tak bermassa dan tak bermuatan yang membawa gaya elektromagnetik. Foton dapat memiliki frekuensi tertentu yang menentukan radiasi elektromagnetik apa mereka. Seperti semua partikel tak bermassa lainnya, mereka bergerak dengan kecepatan cahaya (300.000 km/detik).

Boson Higgs: Fisikawan percaya bahwa partikel masif memiliki massa (yaitu, mereka bukan kumpulan energi murni seperti foton) karena interaksi Higgs.

Foton dan gluon tidak memiliki muatan, dan merupakan satu-satunya partikel elementer yang memiliki massa 0 secara pasti. Foton adalah satu-satunya boson yang tidak meluruh. Statistik Bose-Einstein adalah teori yang menjelaskan bagaimana kumpulan boson berperilaku. Tidak seperti fermion, dimungkinkan untuk memiliki lebih dari satu boson di ruang yang sama pada saat yang sama.

Model Standar mencakup semua partikel elementer yang dijelaskan di atas. Semua partikel ini telah diamati di laboratorium.

Model Standar tidak berbicara tentang gravitasi. Jika gravitasi bekerja seperti tiga gaya fundamental lainnya, maka gravitasi dibawa oleh boson hipotetis yang disebut graviton. Graviton belum ditemukan, jadi tidak termasuk dalam tabel di atas.

Fermion pertama yang ditemukan, dan yang paling kita ketahui, adalah elektron. Boson pertama yang ditemukan, dan juga yang paling kita ketahui, adalah foton. Teori yang paling akurat menjelaskan bagaimana elektron, foton, elektromagnetisme, dan radiasi elektromagnetik semuanya bekerja bersama disebut elektrodinamika kuantum.

Pertanyaan dan Jawaban

T: Apa itu partikel elementer?

J: Partikel elementer adalah partikel yang tidak terbuat dari partikel lain.

T: Ada berapa kelompok partikel elementer?

J: Partikel elementer bisa menjadi salah satu dari dua kelompok, fermion atau boson.

T: Apa yang dimaksud dengan Model Standar?

J: Model Standar adalah cara yang paling diterima untuk menjelaskan bagaimana partikel berperilaku dan gaya-gaya yang memengaruhinya.

T: Bagaimana partikel elementer dikelompokkan menurut Model Standar?

J: Menurut Model Standar, partikel elementer dikelompokkan lebih lanjut ke dalam quark, lepton, dan boson gauge, dengan boson Higgs memiliki status khusus sebagai boson non-gauge.

T: Apakah proton dan neutron dianggap sebagai partikel elementer?

J: Tidak, proton dan neutron tidak dianggap sebagai partikel elementer karena mereka masing-masing terdiri dari 3 quark yang menjadikannya partikel komposit - artinya mereka terdiri dari partikel lain yang lebih kecil.

T: Sifat apa yang menggambarkan partikel elementer?

J: Ada tiga sifat dasar yang menggambarkan partikel elementer - massa, muatan, dan spin - setiap sifat diberi nilai angka.

T: Apakah gravitasi mempengaruhi semua jenis partikel, bahkan yang tidak bermassa seperti foton?

J: Ya, semua jenis partikel termasuk yang tanpa massa seperti foton mengalami gravitasi karena relativitas umum.