Nobel Fisika untuk Teori Gaya Nuklir Kuat

Nobel Fisika tahun ini jatuh pada tiga orang fisikawan Amerika, yaitu David Gross (University of California Santa Barbara), David Politzer (California Institute of Technology), dan Frank Wilczek (Massachusetts Institute of Technology), untuk jasa mereka dalam menjelaskan gaya kuat yang mengikat quark di dalam proton atau netron. Hingga saat ini partikel elementer yang diakui oleh mayoritas ilmuwan adalah enam buah quark, partikel mediator interaksi, serta lepton (elektron dan neutrino). Gaya elektromagnetik yang dibawa oleh lepton mula-mula dijelaskan oleh Richard Feynman melalui teori elektrodinamika kuantum (QED). Namun lepton juga membawa gaya nuklir lemah (weak force). Kedua jenis gaya ini akhirnya disatukan oleh Abdus Salam dan Steven Weinberg (serta Sheldon Glashow) dalam satu kerangka teori yang dinamakan Model Standar.

Gaya yang dibawa oleh quark berbeda dengan kedua jenis gaya tadi. Gaya ini dinamakan gaya nuklir kuat. Ide gaya ini pertamakali dicetuskan oleh Hideki Yukawa pada tahun 1935 untuk menjelaskan gaya yang mengikat proton dan netron di dalam deuteron. Yukawa mengusulkan bahwa gaya kuat dimediasi oleh partikel yang tidak mematuhi larangan Pauli yang akhirnya dikenal sebagai pion. Teori modern saat ini menjelaskan bahwa gaya kuat bekerja pada partikel paling elementer, yaitu quark. Quark-quark tersebut diikat dengan kuat oleh partikel mediator yang disebut gluon (dari kata glue).

Namun eksperimen memperlihatkan bahwa quark tidak pernah bebas dari "penjara" yang disebut fisikawan partikel sebagai confinement. Quark hanya dapat eksis berduaan dengan antinya (membentuk meson) atau bertiga membentuk nukleon (proton dan netron). Penemuan terakhir memperlihatkan ada kemungkinan quark dapat juga eksis berlima membentuk partikel eksotik pentaquark.

Ketakberdayaan quark untuk hidup sendirian di luar proton telah menghasilkan problem tersulit dalam fisika partikel saat itu. Tidak seperti gaya elekromagnetik ataupun gaya gravitasi, dimana gaya yang dialami akan semakin kecil jika dua partikel yang berinteraksi dijauhkan, pada quark kondisinya sangat kontras. Eksperimen memperlihatkan, jika dua buah quark di dalam proton dicoba untuk dijauhkan, maka gaya ikat kedua quark tersebut akan semakin besar. Kalau pun hal ini dipaksakan dengan cara menambah energi kinetik pada kedua quark tersebut, hukum kekekalan energi akhirnya turun tangan, dua partikel baru yang juga disusun oleh quark terbentuk.

Sudah lama diketahui orang bahwa kuatnya ikatan gaya elektromagnetik yang dinyatakan dalam ae dan sering disebut konstanta kopling bervariasi terhadap energi. Jika energi dinaikkan maka konstanta kopling akan naik. Secara teknis dikatakan bahwa turunan fungsi tersebut positif. Turunan fungsi ini kemudian dikenal sebagai fungsi beta. Karena ae sangat kecil, teori gangguan Feynman dapat bekerja dengan baik untuk interaksi elektromagnetik. Tidak demikian halnya pada interaksi kuat. Di sini konstanta kopling yang disebut as sangat besar sehingga teori gangguan Feynman tidak dapat dipakai. Lebih parah lagi jika konstanta kopling tersebut bertambah besar pada energi tinggi.



Gambar 1. Perbandingan antara teori elektrodinamika kuantum (Quantum ElectroDynamics) yang menjelaskan gaya elektromagnetik antar dua elektron dan teori kromodinamika kuantum (Quantum ChromoDynamics) yang menjelaskan gaya nuklir kuat antar quark. Konstanta kopling kedua teori diberikan oleh ae dan as. Dalam QCD gluon dapat mengubah "warna" quark.

Pada tahun 1970 Kurt Symanzik, seorang fisikawan Jerman, menyadari bahwa satu-satunya cara untuk membuat teori quark bekerja sebaik teori QED adalah dengan mencari fungsi beta yang negatif. Dengan fungsi ini problem gaya ikat quark yang semakin kuat jika berjauhan namun semakin lemah jika berdekatan dapat diselesaikan. Namun Symanzik tidak dapat menemukan fungsi tersebut hingga akhir hayatnya. Fisikawan Belanda Gerardus 't Hooft (yang mendapatkan hadiah Nobel dua tahun lalu) hampir saja memperoleh solusinya, sayangnya mayoritas fisikawan pada saat itu sudah hampir putus asa.

Pada tahun 1973 David Gross dan Frank Wilczek, serta secara independen David Politzer, memublikasikan hasil riset mereka dalam jurnal Physical Review Letters. Ketiganya memperlihatkan bahwa fungsi beta tadi dapat negatif.  Menurut teori mereka partikel mediator gaya yang disebut gluon memiliki sifat yang tak terduga sebelumnya. Gluon dapat berinteraksi sesama mereka. Hal ini berbeda dengan foton. Karena interaksi ini, maka semakin dekat jarak antara dua quark, semakin sedikit interaksi gluon yang berakibat semakin lemahnya gaya antar quark. Quark akan semakin mendekat jika energi kinetik mereka bertambah. Pada jarak yang sangat dekat eksperimen membuktikan bahwa quark-quark di dalam nukleon bersifat hampir bebas. Sebaliknya, jika jarak antar quark bertambah, maka interaksi gluon akan semakin mengikat kedua quark sehingga quark tetap terpenjara hingga hukum kekekalan energi menentukan nasib mereka. Sifat seperti ini dinamakan kebebasan asimptotik (asymptotic freedom).

Dengan ditemukannya kebebasan asimptotik ini munculah teori baru yang disebut sebagai kromodinamika kuantum (QCD) karena di dalam teori ini quark memiliki faktor "warna" yang dapat diubah oleh gluon. Faktor "warna" pada awalnya diperkenalkan untuk membuat quark mematuhi larangan Pauli. Partikel-partikel yang teramati dalam eksperimen dibangun oleh kombinasi warna yang menghasilkan warna "netral". Sebagai akibatnya, gluon harus membawa "warna-warna" dari quark yang berinteraksi. Oleh karena itu gaya kuat pada quark sering disebut juga sebagai gaya warna (color force).



Gambar 2. Skenario penggabungan gaya eketromagnetik, gaya nuklir lemah, dan gaya nuklir kuat pada energi yang sangat tinggi (1015 milyar elektronvolt). Skenario ini kemungkinan dapat direalisir dengan mengadopsi model standar (Weinberg-Salam) dan teori supersimetri. (Gambar diambil dari nobelprize.org).

Dampak lain dari QCD adalah membuka jalan untuk penyatuan gaya-gaya fundamental. Mungkin, hanya gaya gravitasi yang masih sulit digabungkan saat ini kecuali jika teori superstring mengalami kemajuan yang sangat menakjubkan. Ketiga gaya lainnya tampaknya lebih mudah disatukan seperti diperlihatkan pada Gambar 2. Pada energi sekitar 1015 (lima belas angka nol setelah angka satu) milyar elektronvolt terlihat bahwa ketiga gaya dapat dijelaskan dengan menggunakan satu teori saja. Namun hal ini hanya dapat direalisir jika model standar digabungkan dengan teori supersimetri. Jika supersimetri ini dapat ditemukan, maka peluang untuk menyatukan gaya keempat (gravitasi) juga terbuka.

Jadi, penemuan ketiga fisikawan ini memang sangat penting bagi pengetahuan umat manusia tentang unsur-unsur dasar penyusun jagat raya serta cara mereka berinteraksi satu sama lain.

(Dr. Terry Mart, dosen Fisika UI, Depok)