Fisika Nuklir Hiper

Meski jarang didengar masyarakat dibandingkan dengan fisika nuklir konvensional, fisika nuklir hiper (hypernuclear physics) telah berusia lebih dari 50 tahun. Tersebutlah dua fisikawan Polandia yang bernama Marian Danysz dan Jerzy Pniewski yang pada tahun 1953 untuk pertama kalinya mengamati eksistensi nukleus (inti atom) hiper pada saat mereka sedang melakukan penelitian terhadap radiasi sinar kosmik yang jatuh di ketinggian sekitar 26 km di atas permukaan bumi. Hasil penemuan mereka yang direkam dalam emulsi fotografik ditunjukkan pada Gambar 1. Pada gambar tersebut terlihat sebuah proton berenergi tinggi yang berasal dari sinar kosmik menumbuk sebuah nukleus dari emulsi di titik A. Hasilnya adalah fragmen (pecahan) nukleus berbentuk bintang yang hampir semuanya terrekam berhenti di dalam emulsi setelah menempuh lintasan yang sangat pendek, kecuali satu fragmen yang melalui lintasan f menuju titik B. Fragmen tersebut terlihat meluruh di titik B yang pada akhirnya membuka informasi tentang isi fragmen, salah satunya adalah partikel Lambda yang membawa bilangan kuantum 'aneh' (strangeness) sebesar minus satu. Karena partikel Lambda termasuk ke dalam keluarga hiperon, fragmen tadi disebut sebagai fragmen hiper (hyperfragment) atau nukleus hiper (hypernucleus).



Gambar 1. Eksperimen pertama yang memperlihatkan eksistensi nukleus hiper (dari Philosophical Magazine 44, 1953).

Partikel Lambda bukanlah anggota keluarga partikel penyusun nukleus konvensional yang kita kenal sebagai nukleon (proton dan netron). Karena hiperon berbeda dengan nukleon, larangan Pauli yang sangat termasyhur dalam fisika statistik tidak berlaku di sini. Larangan Pauli menyatakan bahwa tidak pernah ada dua partikel sejenis yang dapat memiliki keadaan-keadaan kuantum sama dalam suatu sistem. Sebagai akibatnya, partikel Lambda dapat dengan bebas 'bergentayangan' di dalam nukleus hiper. Tidak seperti nukleon, partikel Lambda dapat menempati keadaan-keadaan kuantum yang sudah diisi oleh nukleon di dalam sebuah nukleus. Fenomena ini sangat menguntungkan fisikawan nuklir, karena partikel Lambda dapat dipakai untuk menyelidiki struktur nuklir hingga ke interior nukleus yang paling dalam sekali pun.

Dampak lain yang dibawa oleh nukleus hiper adalah penemuan materi nuklir baru, kaidah seleksi baru, serta sifat simetri baru yang sangat berbeda dengan nuklir konvensional. Nukleus hiper merupakan nukleus pertama yang memiliki bilangan kuantum 'cita-rasa' (flavor) yang kemudian berkembang mengarah pada nukleus eksotik.




Gambar 2. Peta hipernuklida (chart of hypernuclides) yang telah dideteksi hingga saat ini.

Karena gaya ikat nuklir antara partikel Lambda dengan nukleon tidak sekuat gaya ikat nuklir antar nukleon, nukleus hiper yang dibangun oleh satu partikel Lambda dan satu nukleon tidak pernah eksis. Nukleus hiper yang paling ringan adalah hypertriton, yang terdiri dari sebuah proton, sebuah netron, dan sebuah L. Hypertriton biasanya ditulis dengan simbol 3LH, yang menunjukkan bahwa hypertriton dapat dibentuk dari sebuah triton (3H) dengan cara mensubstitusi sebuah netron dengan L. Hal yang sama juga dapat dilakukan pada nukleus 4H untuk membentuk 4LH, serta pada nuklida-nuklida yang lebih berat. Lemahnya interaksi antara  partikel Lambda dengan nukleon menjamin struktur nuklir sebuah nukleus tidak segera runtuh jika ia disisipi partikel Lambda yang bersifat sebagai intruder.

Hingga saat ini para ilmuwan telah menemukan sebanyak 35 nukleus hiper. Nukleus-nukleus hiper tersebut dapat disusun dalam peta hipernuklida seperti terlihat pada Gambar 2. Peta ini hampir mirip dengan peta nuklida konvensional (untuk nuklida-nuklida ringan) yang ditunjukkan pada Gambar 3. Selain itu, nukleus hiper ganda (double L-hypernucleus) yang memiliki dua partikel Lambda juga telah teramati dalam eksperimen. Partikel S yang termasuk kedalah keluarga hiperon, juga memiliki peluang untuk dapat menggantikan sebuah nukleon dan membentuk nukleus hiper S. Eksperimen terakhir berhasil mengkonfirmasi hal ini. Tentu saja penelitian nukleus hiper saat ini lebih diarahkan pada spektroskopi nuklir, karena spektrum energi yang ia miliki sangat berbeda dibandingkan dengan spektrum energi nukleus konvensional. Spektroskopi nuklir hiper ternyata membawa dampak positif lain yaitu pembuktian secara spektakuler keabsahan model kulit (model dalam fisika nuklir yang mengumpamakan keadaan-keadaan kuantum sebuah nukleus sebagai kumpulan kulit-kulit yang saling membungkus) pada level buku teks.





Gambar 3. Peta nuklida ringan konvensional. Warna biru menunjukkan nuklida yang stabil.


Kronologi Perkembangan Fisika Nuklir Hiper
Setelah penemuan nukleus hiper dari sinar kosmik, para ilmuwan mencoba untuk 'membuat' sendiri nukleus hiper di dalam laboratorium. Eksperimen pertama dilakukan dengan menggunakan berkas kaon yang diperoleh melalui suatu reaksi partikel dalam sebuah akselerator. Kaon akan berinteraksi dengan sebuah netron di dalam nukleus yang kemudian berubah menjadi sebuah Lambda dan pion bermuatan negatif. Eksperimen ini dilakukan dengan menggunakan kamar gelembung (bubble chamber) dan emulsi fotografik yang diisi dengan Helium atau cairan-cairan berat lainnya untuk merekam proses yang terjadi. Dengan menganalisis kinematika reaksi, para ilmuwan pada saat itu berhasil menentukan energi ikat partikel Lambda pada nukleus, salah satu informasi terpenting dalam fisika nuklir hiper.

Pada tahun 70-an eksperimen yang sama juga masih dilakukan, namun perkembangan teknologi saat itu telah memungkinkan para ilmuwan memakai spektrometer magnetik serta detektor-detektor elektronik, sehingga pencacahan partikel-partikel yang dihasilkan dalam proses dapat dilakukan secara cepat dan akurat. Eksperimen yang dilakukan di CERN (Geneva) dan Brookhaven (USA) pada saat itu berhasil mengkonfirmasi adanya keadaan-keadaan tereksitasi dalam nukleus hiper. Spektroskopi nuklir hiper pun dimulai. Sementara itu, secara teoritis keadaan-keadaan tereksitasi ini berhasil dijelaskan dengan menggunakan informasi energi ikat partikel Lambda dengan nukleus serta nukleon.

Tahun 80-an di Brookhaven dikembangkan teknik baru untuk memproduksi nukleus hiper dengan menggunakan berkas pion berenergi dan berintensitas tinggi. Teknik ini kemudian digunakan secara masif di laboratorium fisika energi tinggi (KEK) di Jepang yang berhasil menyumbangkan data-data spektroskopi serta peluruhan nuklir hiper berkualitas tinggi.

Tahun 90-an di laboratorium Jefferson (Virginia, USA) dirancang eksperimen produksi nukleus hiper dengan menggunakan sinar gamma (foton) berenergi tinggi. Tentu saja peluang terjadinya proses sangat kecil. Namun, dengan teknologi canggih berkas sinar gamma dapat dibuat kontinu dan intensitasnya dapat secara signifikan ditingkatkan, sehingga problem tersebut dapat diatasi. Berbeda dengan interaksi nuklir kuat yang dipakai pada proses-proses sebelumnya, interaksi medan elektromagnetik dengan partikel sudah sepenuhnya dikuasai para fisikawan. Dengan demikian produksi nukleus hiper dengan menggunakan foton akan sangat 'bersih' dari kontaminasi proses lain yang tidak sepenuhnya dimengerti para peneliti. Awal tahun 2003 data-data pertama untuk produksi hypertriton serta 4LHe sudah mulai dipresentasikan di pelbagai konferensi/simposium fisika nuklir hiper internasional.

Tentu saja, impian fisikawan nuklir hiper saat ini adalah menutupi semua celah yang ada di dalam peta hipernuklida pada Gambar 2 serta menjelaskan secara teoritik spektrum-spektrum nukleus hiper yang telah dihasilkan. Namun karena untuk mencapai hal ini diperlukan pengetahuan mendasar dari interaksi antara partikel Lambda dengan nukleon, situasinya menjadi terbalik. Informasi interaksi tersebut saat ini sangat minim, karena eksperimen hamburan partikel Lambda pada nukleon sangat sulit dilakukan. Dengan demikian, data-data dari nukleus hiper diharapkan dapat menutupi kekurangan ini.

(Dr. Terry Mart, staf pengajar dan peneliti pada Departemen Fisika, FMIPA UI, Depok)

  Versi Kompas