Pembicaraan:Partikel dasar

Dari Partikel Elementer

 

Saat bermain kelereng, sering kali kelereng-kelereng tersebut berbenturan satu sama lain. Akibatnya, kelereng tersebut bisa pecah sebagian. Jika kelereng tersebut berbenturan sangat keras dan berulang-ulang, bagian kelereng semakin banyak yang pecah menjadi serpihan-serpihan.

Jika serpihan-serpihan kelereng tadi ditumbuk atau digerus maka akan diperoleh butiran-butiran halus sebagai serbuk kelereng. Jika gerusan kelereng mencapai ukuran teramat kecil, hingga pada akhirnya ukuran kelereng tersebut tidak bisa lagi diperkecil, maka itulah "partikel elementer".

Partikel

Partikel adalah "semacam" bola atau kelereng, namun berukuran sangat kecil, sehingga ia tak tampak oleh mata. Ukuran partikel yang elementer bisa hingga 10^-35 m.

Sebagai ilustrasi, jika kita memiliki daging sosis sepanjang sepuluh meter kemudian kita bagi-bagi untuk satu trilyun trilyun trilyun orang, maka tiap orang memperoleh bagian satu porsi daging sosis seukuran “partikel elementer”.

Satu trilyun sama dengan angka 1 dengan 12 angka nol dibelakangnya. Sehingga, ukuran partikel elementer dapat kita tulis sebagai seukuran 10 meter sosis dibagi-bagi untuk orang sejumlah 1 dengan 36 angka nol dibelakangnya.[1]

Detektor Partikel

Detektor partikel digunakan untuk mendeteksi, merekam, mengidentifikasi partikel berenergi tinggi, semisal yang dihasilkan oleh peluruhan inti atom, radiasi kosmis, atau reaksi dalam pemercepat partikel.

Detektor partikel, disamping berfungsi sebagai kalorimeter untuk mengukur energi partikel yang terdeteksi, juga untuk mengukur sifat-sifat partikel seperti momentum, spin dan muatan. Compact Muon Solenoid (CMS) adalah contoh detektor partikel besar[2].

Anggota Keluarga Besar Partikel Elementer

Elektron, muon, tau, neutrino elektron, neutrino muon, dan neutrino tau adalah anggota "keluarga lepton". Kuark up, kuark down, kuark charm, kuark strange, kuark top, kuark bottom, sebagai anggota "keluarga kuark". Gabungan keluarga lepton dan keluarga kuark membentuk "keluarga fermion". Sedangkan, foton, gluon, graviton, W plus, W minus, Z nol adalah anggota "keluarga boson". Sehingga, sebenarnya “hanya” ada dua keluarga besar partikel elementer: keluarga fermion dan keluarga boson.

Kelahiran Keluarga Fermion - Kelahiran Elektron:

Penemuan elektron oleh J.J. Thomson terjadi pada tahun 1897, di tengah-tengah tabung gelas dan kilatan kelistrikan, fisikawan Inggris J.J. Thomson berspekulasi ke sisi dalam atom. Di Cavendish Laboratory Universitas Cambridge, percobaan Thomson dengan arus listrik di dalam tabung gelas kosong. Ia menyelidiki teka-teki lama yang dikenal sebagai sinar katode.

Percobaannya mendorong dirinya untuk membuat pengajuan yang berani: sinar misterius ini adalah “aliran partikel” yang jauh lebih kecil dari atom, aliran partikel tersebut secara fakta adalah serpihan-serpihan atom yang teramat kecil. Ia menyebut partikel-partikel ini "butiran-butiran", dan menyarankan bahwa butiran-butiran tersebut mungkin penyusun materi dalam atom. Terasa mengejutkan untuk membayangkan bahwa terdapat partikel dalam atom - kebanyakan orang memikirkan bahwa atom tak terbagi, yakni satuan paling kecil dari materi.

Spin

Elektron adalah partikel sub atomik fundamental yang membawa muatan listrik negatif. Elektron memiliki spin ½ lepton yang berpartisipasi dalam interaksi elektromagnetik, dan massanya lebih kecil dibanding seperseribu atom terkecil. Muatan kelistrikannya didefinisikan oleh konvensi menjadi negatip, dengan nilai -1 dalam satuan atom. Bersama-sama dengan anti atom, elektron menyusun atom; interaksi elektron dengan inti terdekat adalah penyebab utama ikatan kimia.

Sejarah

Nama “elektron” berasal dari kata Yunani untuk batu amber, ήλεκτρον. Materi ini memainkan peranan penting dalam penemuan fenomena kelistrikan. Orang Yunani kuno mengetahui, sebagai contoh, bahwa menggosok sepotong batu amber dengan bulu binatang meninggalkan muatan listrik pada permukaannya, yang dapat kemudian menciptakan percikan.

Elektron sebagai unit muatan dalam elektrokimia diajukan oleh G. Johnstone Stoney pada tahun 1874, yang juga menciptakan istilah elektron pada tahun 1894. Selama akhir tahun 1890-an sejumlah fisikawan mengajukan bahwa kelistrikan dapat dipahami terdiri dari unit diskrit, yang diberi sejumlah nama, namun realitas mereka tidak ditetapkan dalam cara pemaksaan.

Penemuan bahwa elektron adalah partikel subatomik dibuat pada tahun 1897 oleh J.J. Thomson di Laboratorium Cavendish Universitas Cambridge, sementara ia mempelajari tabung sinar katode. Tabung sinar katode disegel silinder gelas dimana dua elektrode dipisahkan oleh vakum. Ketika tegangan diterapkan melintasi elektrode, sinar katode dibangkitkan, menyebabkan tabung bercahaya.

Melalui eksperimen, Thomson menemukan bahwa muatan negatip tak dapat dipisahkan dari sinar (dengan menerapkan magnetisme), dan bahwasannya sinar dapat dibelokkan oleh medan listrik. Ia menyimpulkan bahwa sinar bahwa sinar-sinar ini, ketimbang gelombang, tersusun dari partikel bermuatan negatip yang ia sebut “korpuskel (corpuscles)”. Ia mengukur perbandingan massa-muatan elektron dan menemukannya lebih dari ribuan kali lebih kecil daripada ion hidrogen, menyarankan bahwa mereka sangat bermuatan atau bermassa sangat kecil.

Eksperimen berikutnya oleh ilmuwan lain menegakkan kesimpulan berikutnya. Perbandingan massa-muatan juga tak gayut pilihan material katode dan gas pada awalnya dalam tabung vakum. Ini membawa Thomson untuk menyimpulkan bahwa mereka adalah universal di antara seluruh material. Muatan elektron secara cermat diukur oleh R.A. Millikan dalam eksperimen tetes minyak pada tahun 1909.

Hukum periodik menyatakan bahwa sifat-sifat kimia elemen sebagian besar berulang sendiri secara periodik dan adalah landasan tabel periodik elemen-elemen. Hukum itu sendiri pada awalnya dijelaskan dengan massa atomik elemen. Namun, sebagaimana terdapat anomali dalam tabel periodik, usaha dibuat untuk menemukan penjelasan yang lebih baik untuknya. Pada tahun 1913, Henry Moseley memperkenalkan konsep bilangan atomik dan menjelaskan hukum periodik dalam kaitan jumlah proton yang dimiliki masing-masing elemen.

Dalam tahun yang sama, Niels Bohr menunjukkan bahwa elektron adalah fondasi nyata dari tabel periodik. Pada tahun 1916, Gilbert Newton Lewis menjelaskan ikatan kimia elemen-elemen dengan interaksi elektron.

Sifat dan Perilaku Elektron

Elektron memiliki muatan listrik -1.6022 x 10-19 coulomb, bermassa 9.11 x 10^-31 kg berbasis pada muatan atau pengukuran massa dan massa diam relativistik sekitar 0.511 MeV/c2. Massa elektron sekitar 1/1836 massa proton. Simbol elektron umum adalah e^-.

Menurut mekanika kuantum, elektron dapat direpresentasi oleh fungsi gelombang, dimana rapat elektron probabilitas terhitung dapat ditentukan. Orbital masing-masing elektron dalam atom dapat dideskripsikan dengan fungsi gelombang. Berbasiskan prinsip ketakpastian Heisenberg, momentum dan posisi pasti dari elektron nyata tak dapat secara serempak ditentukan.

Ini adalah pembatasan yang mana, dalam peristiwa ini, dengan sederhana menyatakan bahwa lebih akurat kita mengetahui posisi partikel, berkurang keakuratan momentumnya, dan sebaliknya. Elektron memiliki spin ½ dan adalah fermion (ia mengikuti statistik Fermi-Dirac). Sebagai tambahan terhadap momentum sudut intrinsiknya, elektron memiliki momen magnetik intrinsik sepanjang sumbu spinnya.

Elektron dalam atom diikat terhadap atom; elektron bergerak secara bebas dalam vakum, ruang atau media tertentu adalah elektron bebas yang dapat difokuskan dalam berkas elektron. Ketika elektron bebas bergerak, terdapat aliran netto muatan, aliran ini disebut arus listrik. Kecepatan apung (drift velocity) elektron dalam kawat baja adalah pada orde mm/jam. Namun, kecepatan dimana arus pada satu titik dalam kawat menyebabkan arus dalam bagian lain pada kawat adalah secara khas 75% kecepatan cahaya.

Dalam beberapa superkonduktor, pasangan elektron bergerak sebagai pasangan Cooper dimana gerak mereka digandeng menuju maeri dekat melalui vibrasi kisi disebut fonon. Jarak pemisah antara pasangan-pasangan Cooper adalah sekitar 100 nm. Benda memiliki muatan listrik ketika benda memiliki lebih banyak atau lebih sedikit elektron ketimbang yang diperlukan untuk menyeimbangkan muatan positif inti atom.

Ketika terdapat kelebihan elektron, objek disebut bermuatan negatip. Ketika terdapat lebih sedikit elektron dibanding proton, objek disebut bermuatan positip. Ketika jumlah elektron dan jumlah proton sama, muatan-muatan mereka membatalkan satu sama lain dan objek disebut secara kelistrikan netral. Benda makroskopik dapat menambah muatan listrik melalui penggosokan, oleh fenomena triboelektrik.

Ketika elektron dan positron bertumbukan, mereka saling menghilangkan satu sama lain dan menghasilkan pasangan foton energi tinggi atau partikel lain. Pada sisi lain, foton energi tinggi dapat mentransformasi menjadi elektron dan positron dengan proses yang disebut produksi pasangan, namun hanya dalam keberadaan partikel bermuatan terdekat, semisal inti atom.

Elektron sekarang ini dideskripsikan sebagai partikel fundamental atau partikel elementer. Ia tak memiliki struktur. Oleh karena itu, untuk kesesuaian, ia biasanya didefinisikan atau diasumsikan muatan titik matematis seperti partikel, dengan tak ada perluasan ruang.

Namun, ketika partikel uji dipaksa untuk mendekati elektron, kita mengukur perubahan-perubahan dalam sifat-sifatnya (muatan dan massa). Efek ini adalah umum untuk seluruh partikel elementer: teori sekarang menyarankan bahwa efek ini dikarenakan pengaruh fluktuasi vakum dalam ruang lokalnya, sehingga sifat-sifat terukur dari jarak signifikan ditinjau menjadi penjumlahan sifat-sifat polos dan efek vakum (lihat renormalisasi).

Jari-jari elektron klasik adalah 2.8179 × 10^-15 m. Ini adalah jari-jari yang diduga/disimpulkan dari muatan listrik elektron, dengan menggunakan teori klasik elektrodinamika saja, dengan mengabaikan mekanika kuantum. Elektrodinamika klasik (elektrodinamika Maxwell) adalah konsep yang lebih tua yang secara luas digunakan untuk penerapan praktis kelistrikan, teknik elektro, fisika semikonduktor dan elektromagnetika; elektrodinamika kuantum, pada sisi lain, berguna untuk penerapan mencangkup fisika partikel modern dan beberapa aspek fisika optik, laser dan kuantum.

Berbasis teori sekarang, kecepatan elektron dapat mendekati, namun tak pernah mencapai, c (kecepatan cahaya dalam vakum). Pembatasan ini diatributkan ke teori relativitas khusus Einstein yang mendefinisikan kecepatan cahaya sebagai suatu konstanta dalam seluruh kerangka inersia.

Namun, ketika elektron relatistik diinjeksikan ke medium dielektrik, semisal air, dimana kecepatan lokal cahaya secara signifikan kurang dari c, elektron akan (secara temporer) berjalan lebih cepat dibanding cahaya dalam medium. Sebagaimana mereka berinteraksi dengan medium, mereka membangkitkan cahaya pucat kebiru-biruan, disebut radiasi Cherenkov. Efek relativitas khusus didasarkan pada kuantitas yang dikenal sebagai γ atau faktor Lorentz. γ adalah fungsi dari v, kecepatan partikel.

Untuk contoh, pemercepat partikel SLAC dapat mempercepat elektron hingga 51 GeV. Ini memberi gamma 100.000, karena massa diam elektron adalah 0.51 MeV/c² (massa relativistik elektron ini adalah 100.000 kali massa diamnya).

Dalam mekanika kuantum relativistik, elektron dideskripsikan oleh persamaan Dirac yang mendefinisikan elektron sebagai titik matematis. Dalam teori medan kuantum, perilaku elektron dideskripsikan oleh elektrodinamika kuantum, sebuah teori gauge U(1). Dalam model Dirac, elektron didefinisikan menjadi titik matematis, seperti titik, partikel “polos” bermuatan yang dikelilingi oleh lautan pasangan interaksi partikel virtual dan antipartikel.

Hal ini memberikan koreksi sedikit di atas 0,1% terhadap nilai yang diprediksi rasio gyromagnetik elektron dari dengan pasti 2 (sebagaimana diprediksi oleh model partikel tunggal Dirac). Kesesuaian yang luar biasa presisi dari prediksi ini dengan nilai yang ditentukan secara eksperimen dipandang sebagai salah satu prestasi besar fisika modern.

Dalam Model Standar fisika partikel, elektron adalah generasi pertama lepton bermuatan. Ia membentuk doublet isospin lemah dengan neutrino elektron; dua partikel ini berinteraksi dengan satu sama lain melalui kedua muatan dan arus netral interaksi lemah. Elektron adalah sangat mirip dengan lebih dari dua partikel masif generasi lebih tinggi, muon dan tau lepton, yang adalah identik dalam muatan, spin dan interaksi namun berbeda dalam massa.

Bagian anti materi elektron adalah positron. Positron memiliki jumlah muatan listrik yang sama dengan elektron, kecuali muatannya adalah positif. Ia memiliki massa dan spin yang sama dengan elektron. Ketika elektron dan positron bertemu, mereka saling menghilangkan satu sama lain, memunculkan dua foton sinar gamma diemisikan secara kasar 1800 satu sama lain.

Jika elektron dan positron memiliki momentum yang dapat diabaikan, tiap-tiap sinar gamma akan memiliki energi 0.511 MeV. Elektron adalah elemen kunci dalam elektromagnetisme, sebuah teori yang akurat untuk sistem makroskopik, dan untuk model klasik sistem mikroskopik [3].

Muon

Dalam model standar fisika partikel, muon (dari kata Yunani huruf mu digunakan untuk mewakilinya) adalah sebuah partikel fundamental semi stabil dengan muatan listrik negatip dan spin ½. Bersama-sama dengan elektron, tauon dan neutrino, ini dikelompokkan sebagai bagian keluarga lepton dari fermion. Seperti seluruh partikel fundamental, muon memiliki pasangan antimateri bermuatan berlawanan tetapi memiliki massa dan spin yang sama: antimuon.

Untuk alasan historis, muon kadang-kadang dirujuk sebagai mu meson, meskipun mereka tidak dikelompokkan sebagai meson oleh fisikawan partikel modern. Muon memiliki massa 207 kali massa elektron. Karena interaksi mereka adalah serupa dengan elektron, muon dapat seringkali dipikirkan sebagai elektron berat secara ekstrem. Muon dinyatakan oleh µ- dan antimuon oleh µ+.

Di bumi, muon diciptakan ketika pion bermuatan meluruh. Pion diciptakan di atmosfer atas oleh radiasi kosmis dan memiliki waktu peluruhan yang sangat pendek - beberapa nanodetik. Muon tercipta ketika peluruhan pion juga hidup pendek: waktu peluruhan mereka adalah 2,2 mikrodetik. Akan tetapi muon di atmosfer bergerak dengan kecepatan yang sangat tinggi, sehingga efek dilasi waktu dari relativitas khusus membuat mereka menjadi mudah dideteksi pada permukaan bumi.

Sebagaimana dengan kasus lepton bermuatan lain, terdapat muon-neutrino yang memiliki flavor yang sama seperti muon. Muon secara alami meluruh menjadi sebuah elektron, sebuah elektron-antineutrino, dan sebuah muon-neutrino.

Sejarah

Muon ditemukan oleh Carl D. Anderson pada tahun 1936 sewaktu ia mempelajari radiasi kosmis. Ia menyatakan partikel-partikel yang melengkung dalam suatu cara berbeda dari elektron dan partikel-partikel yang dikenal ketika melewati medan magnetik. Secara khusus, partikel baru ini melengkung menuju derajat yang lebih kecil dibanding elektron, ettapi lebih tajam dibanding proton. Diasumsikan bahwa muatan listriknya sama dengan elektron, dan demikian untuk menghitung perbedaan kelengkungan, itu dianggap bahwa partikel-partikel ini adalah massa menengah (terletak antara elektron dan proton).

Untuk alasan ini, Anderson pada awalnya menyebut partiel baru sebuah mesotron, mengadopsi awalan meson- dari kata Yunani untuk "menegah". Dengan segera setelahnya, partikel tambahan dari massa menegah ditemukan, dan istilah lebih umum meson diadopsi untuk merujuk bagi sembarang partikel demikian.

Dipaksa oleh kebutuhan untuk membedakan antara tipe-tipe berbeda dari meson, mesotron dinamai ulang dengan meson mu (dengan huruf Yunani µ (mu) digunakan untuk mengaproksimasi bunyi huruf Latin m).

Akan tetapi, segera ditemukan bahwa mu meson secara signifikan berbeda dari meson yang lain; sebagi contoh, hasil peluruhannya mencangkup neutrino dan antineutrino, ketimbang satu atau yang lain sebagaimana teramati dalam meson yang lain. Jadi mu meson bukanlah meson keseluruhan, dan juga istilah mu meson adalah bebas dan diganti dengan istilah modern muon.

Di pertengahan tahun 1970-an, fisikawan eksperimental memikirkan percobaan menembak neutrino pada target proton. Menurut apa yang kemudian diketahui tentang interaksi lemah, mereka mengharapkan tumbukan untuk mengubah neutrino menuju muon, dan proton menuju bekas peninggalan. Mereka terkejut menemukan dua muon, satu muon negatif dan satu muon positif, dihasilkan dari tumbukan demikian.

Ini membangkitkan kesuksesan diskusi teoritik, hingga sebuah kesepakatan muncul pada bagaimana muon positif hadir. Tumbukan proton atau neutrino tak hanya menghasilkan bekas peninggalan proton dan muon negatif, tetapi sebuah kuark pesona, dan kuark dengan segera meluruh menjadi kuark asing, sebuah neutrino muon, dan sebuah muon positif [4].

Muon adalah yang pertama dari daftar panjang partikel subatomik yang penemuannya pada awalnya digagalkan ahli teoritik yang tak dapat membuat 'hutan' yang membingungkan sesuai ke dalam beberapa skema konseptual yang rapi. Willis Lamb mengklaim bahwa ia telah mendengarnya mengatakan bahwa pada satu titik "penemu partikel elementer baru biasa dianugerahi hadiah Nobel, tetapi penemuan demikian sekarang seharusnya diganjar dengan US Dollar 10.000,-".

Muon (dari huruf mu (μ) digunakan untuk mewakilinya) adalah partikel elementer dengan muatan listrik negatip dan spin ½. Muon memiliki waktu hidup rata-rata 2,2 μs, lebih panjang dibanding sembarang lepton, meson atau baryon tak stabil yang lain kecuali untuk neutron.

Bersama-sama dengan elektron, tau dan neutrino, muon diklasifikasi sebagai lepton. Seperti seluruh partikel fundamental, muon memiliki kawan anti materi bermuatan berlawanan namun bermassa dan berspin sama: antimuon, juga disebut muon positip. Muon dinyatakan oleh μ− dan anti muon oleh μ+.

Untuk alasan historis, muon kadang-kadang dirujuk sebagai mu meson, meskipun muon tidak diklasifikasikan sebagai meson oleh fisikawan partikel modern. Muon memiliki massa 105,7 MeV/c2, yang mana 206,7 kali massa elektron.

Karena interaksi muon sangat mirip dengan elektron, muon dapat ditinjau sebagai versi yang jauh lebih berat dari elektron. Dikarenakan massa muon yang lebih besar, muon tidak mengemisikan sebanyak radiasi bremsstrahlung; konsekuensinya, mereka jauh lebih menembus dibanding elektron.

Sebagaimana kasus lepton bermuatan yang lain, terdapat neutrino-muon yang memiliki flavor yang sama sebagaimana muon. Neutrino-muon dinyatakan oleh νμ.

Atom

Muon adalah partikel elementer pertama yang ditemukan yang tidak muncul dalam atom biasa. Muon negatif dapat, bagaimana pun, membentuk atom muonik dengan menggantikan elektron dalam atom biasa. Atom muonik adalah jauh lebih kecil dibanding atom sejenis karena, untuk mengekalkan momentum anguler, muon yang lebih masif harus lebih dekat ke inti atom dibanding pasangan elektron yang kurang masif.

Muon positif, ketika dihentikan dalam materi biasa, dapat juga mengikat sebuah elektron dan membentuk atom muonium (Mu), dimana muon beraksi sebagai inti. Massa tereduksi dari muonium, yakni jari-jari Bohrnya, adalah sangat dekat ke hidrogen, oleh karenanya atom berumur pendek ini berperilaku secara kimiawi - dalam aproksimasi pertama - seperti isotopnya yang lebih berat, hidrogen, deuterium dan tritium.

Sumber

Karena produksi muon memerlukan energi frame COM yang tersedia lebih dari 105 MeV, baik peristiwa peluruhan radioaktif biasa maupun peristiwa fisi dan fusi nuklir (semisal yang terjadi dalam reaktor nuklir dan senjata nuklir) tidak cukup energetik untuk menghasilkan muon. Hanya fisi nuklir menghasilkan energi peristiwa nuklir tunggal dalam cakupan ini, namun dikarenakan kendala kekekalan, muon tak dihasilkan.

Di bumi, seluruh muon yang terjadi secara natural dengan jelas dihasilkan oleh sinar kosmis, yang paling banyak terdiri dari proton, banyak yang datang dari ruang yang jauh pada energi yang sangat tinggi.

Sekitar 10.000 muon mencapai setiap meter persegi permukaan bumi setiap menit; bentuk partikel bermuatan ini sebagaimana hasil tumbukan sinar kosmis dengan molekul di atmosfer lebih atas. Penjalaran pada kecepatan relativistik, muon dapat menembus sepuluh meter ke dalam batuan dan materi lain sebelum menipis sebagai hasil absorpsi atau defleksi oleh atom-atom yang lain.

Ketika proton sinar kosmis menubruk nuklir atom udara di atmosfer bagian atas, pion dihasilkan. Peluruhan ini dalam jarak yang relatif pendek (meter) menjadi muon (hasil peluruhan yang “disukai” pion) dan neutrino.

Muon dari sinar kosmis energi tinggi ini, pada umumnya melanjutkan utamanya dalam arah yang sama sebagaimana proton awal, demikian juga pada kecepatan yang sangat tinggi. Disamping waktu hidup mereka, yang tanpa efek relativistik akan memperkenankan jarak paro hidup hanya sekitar 0,66 km paling banyak, efek dilasi waktu dari relativitas khusus memperkenankan muon sekunder sinar kosmis untuk mempertahankan penerbangannya menuju permukaan bumi.

Tentu saja, karena muon tidak biasa menembus materi biasa, seperti neutrino, mereka juga dapat dideteksi jauh di dalam tanah dan dalam air, dimana muon membentuk bagian utama radiasi ionisasi latar belakang natural.

Seperti sinar kosmis, sebagaimana dicatat, radiasi muon sekunder ini juga terarah. Reaksi nuklir yang sama dideskripsikan di atas (yakni tumbukan hadron-hadron untuk menghasilkan berkas pion, yang mana kemudian secara cepat meluruh menjadi berkas muon pada jarak pendek) digunakan oleh fisikawan partikel untuk menghasilkan berkas muon, semisal berkas yang digunakan untuk eksperimen rasio giromagnetik g-2 muon.

Dalam muon yang dihasilkan secara natural, proton energi sangat tinggi memulai proses ditinjau mengawali dari percepatan medan elektromagnetik pada jarak panjang antara bintang atau galaksi, dalam suatu cara analog dengan mekanisme percepatan proton yang digunakan dalam laboratorium pemercepat partikel.

Peluruhan

Peluruhan yang paling umum dari muon meliputi boson W. Muon adalah partikel elementer yang tak stabil dan lebih berat ketimbang elektron dan neutrino namun lebih ringan daripada seluruh partikel materi yang lain.

Muon meluruh melalui interaksi lemah menjadi elektron, dua neutrino dan mungkin partikel yang lain dengan muatan total nol. Hampir keseluruhan waktu, muon meluruh menjadi elektron, elektron-anti neutrino, dan muon-neutrino.

Anti-muon meluruh menjadi positron, neutrino elektron dan antineutrino-muon: Foton atau pasangan elektron-positron juga hadir dalam hasil peluruhan sekitar 1,4% waktu. Waktu hidup rata-rata muon adalah 2.197019 ± 0.000021 μs. Kesamaan waktu hidup muon dan anti-muon telah dibentuk terhadap satu bagian dalam 104.

Atom Muonik

Muon adalah patikel elementer pertama yang ditemukan yang tidak muncul dalam atom biasa. Muon negatif dapat, bagaimana pun, membentuk atom muonik dengan menggantikan elektron dalam atom biasa.

Atom muonik adalah jauh lebih kecil dibanding atom khas karena massa muon lebih besar memberinya fungsi gelombang keadaan dasar lebih kecil dibanding elektron. Muon positip, ketika dihentikan dalam materi biasa, dapat juga mengikat elektron dan membentuk atom eksotik dikenal sebagai atom muonium (Mu), dimana muon berperilaku sebagai nukleus.

Muon positip, dalam konteks ini, dapat ditinjau pseudo-isotop hidrogen dengan sepersembilan massa proton. Massa tereduksi muonium, oleh karenanya jari-jari Bohr, adalah sangat dekat dengan hidrogen, karena itu “atom” hidup pendek ini berperilaku secara kimia – dalam aproksimasi pertama – seperti hidrogen, deuterium dan tritium.

Muon ditemukan oleh Carl D. Anderson pada tahun 1936 sementara ia mempelajari radiasi kosmis. Ia menyatakan partikel yang berbelok dalam suatu cara berbeda dari elektron dan partikel lain yang dikenal, ketika melewati medan magnetik. Secara khusus, partikel baru ini bermuatan negatip namun berbelok ke derajat kecil dibanding elektron, namun lebih tajam dibanding proton, untuk partikel dengan kecepatan yang sama.

Diasumsikan bahwa besar muatan listrik negatip mereka sama dengan elektron, dan juga untuk menghitung perbedaan belokan, dianggap bahwa partikel-partikel ini bermassa menengah (terletak di antara elektron dan proton).

Untuk alasan ini, Anderson pada awalnya menyebut partikel baru ini mesotron, mengadopsi awalan meso dari Bahasa Yunani untuk “menengah”. Secara ringkas sesudah itu, partikel tambahan bermassa menengah ditemukan, dan istilah lebih umum meson diadopsi untuk merujuk sembarang partikel demikian.

Dihadapkan pada kebutuhan untuk membedakan antara tipe-tipe meson, mesotron pada tahun 1947 dinamai ulang mu meson (dengan huruf Yunani μ (mu) digunakan untuk aproksimasi bunyi huruf Yunani m).

Namun, ini segera ditemukan bahwa mu meson secara signifkan berbeda dengan meson yang lain, sebagai contoh, hasil peluruhannya mencangkup neutrino dan anti neutrino, dibanding hanya satu atau yang lain, sebagaimana diamati di meson yang lain.

Meson yang lain dipahami dengan segera menjadi hadon, yakni, partikel terdiri dari kuark, dan jadinya menjadi subjek gaya kuat sisa. Di dalam model kuark, meson tersusun dari dengan pasti dua kuark (kuark dan anti kuark), tak seperti baryon yang tersusun dari tiga kuark. Mu meson, bagaimana pun, ditemukan menjadi partikel fundamental (lepton) seperti elektron, dengan tak ada struktur kuark [5]

Tauon

Tauon, atau tau lepton, adalah sebuah partikel elementer bermuatan negatif dengan waktu hidup detik dan massa 1777 MeV (bandingkan dengan 939 MeV untuk proton dan 0,511 MeV untuk elektron). Tauon memiliki antipartikel kaitan (antitauon) dan neutrino (neutrino tau dan antineutrino tau) [6]

Penemuan

Lepton tau dideteksi melalui serangkaian percobaan antara tahun 1974 dan 1977 oleh Martin Lewis Perl dengan koleganya di grup SLAC-LBL. Peralatan mereka terdiri dari cincin penumbuk SLAC baru, disebut SPEAR, dan detektor magnetik LBL. Mereka dapat mendeteksi dan membedakan antara lepton, hadron dan foton. Mereka tak dapat mendeteksi lepton tau secara langsung, agaknya mereka menemukan peristiwa anomali.

Pasti terdapat partikel-partikel tak terdeteksi dikarenakan tak semua energi dari tumbukan awal datang dihitung untuk keadaan akhir. Akan tetapi, mereka tak mendeteksi muon-muon lain atau elektron, atau sembarang hadron atau foton. Ini diajukan bahwa peristiwa ini adalah produksi dan peluruh berikut dari pasangan partikel baru:

Ini adalah sulit untuk membuktikan karena energi untuk menghasilkan pasangan adalah mirip dengan batas ambang untuk produksi D meson. Pekerjaan yang dilakukan di DESY-Heidelberg, and dengan Direct Electron Counter (DELCO) di SPEAR, sesudah itu mengukuhkan massa dan spin tauon.

Klasifikasi

Lepton tau menjadi generasi ketiga dari lepton. Ia adalah pasangan generasi dari elektron (generasi pertama) dan muon (generasi kedua). Seperti elektron dan muon, lepton tau muncul seperti partikel; tak ada struktur yang terdeteksi, dan jika ada, itu harus menjadi skala kurang dari meter. Juga seperti elektron dan muon, tauon memiliki spin ½. Tau lepton dan antipartikelnya membawa muatan listrik yang sama sebagaimana elektron dan positron, berturut-turut.

Peluruhan

Tau adalah hanya lepton yang dapat meluruh menjadi hadron - lepton lain yang tidak memiliki massa. Seperti mode peluruhan yang lain dari tau lepton, peluruhan hadron melalui interaksi lemah.

Karena bilangan lepton seperti tau adalah kekal (hanya secara aproksimasi, dikarenakan osilasi neutrino), sebuah neutrino tau diciptakan ketika sebuah lepton tau meluruh menjadi muon atau elektron.

Perbandingan branching untuk peluruhan dari tau menjadi elektron dan neutrino adalah sekitar 18 persen, dan serupa untuk peluruhan menjadi sebuah muon dan neutrino. Perbandingan branching untuk peluruhan hadron adalah sekitar 64 persen.

Neutrino

Neutrino adalah partikel elementer. Ia memiliki spin setengah bulat dan oleh karena itu termasuk fermion. Massanya sangat kecil bila dibandingkan dengan kebanyakan partikel lain, meskipun eksperimen baru-baru ini (lihat Super-Kamiokande, Sudbury Neutrino Observatory dan KamLAND) menunjukkan bahwa massanya tidak nol. Karena ia secara kelistrikan netral, neutrino berinteraksi tidak dengan gaya kuat atau gaya elektromagnetik, tetapi hanya melalui gaya lemah dan gaya interaksi gravitasi.

Dikarenakan kenyatakan bahwa tampang lintang dalam interaksi nuklir lemah adalah sangat kecil, neutrino dapat menembus materi tak terintangi. Untuk neutrino khas yang dihasilkan oleh matahari (energinya beberapa MeV), ia akan mengambil sekitar satu tahun cahaya (~1016 m) yang didorong kearah menghalangi separuh di antara mereka.

Deteksi neutrino dapat oleh karenanya ditantang dengan mensyaratkan volume deteksi yang besar atau berkas neutrino intensitas tinggi buatan.

Tipe Neutrino

Terdapat tiga tipe neutrino yang dikenal (cita rasa - flavor): neutrino elektron, neutrino muon dan neutrino tau, dinamai setelah pasangan mereka lepton dalam Model Standar.

Pengukuran terbaik arus dari jumlah tipe neutrino berasal dari pengamatan peluruhan boson Z. Partikel ini dapat meluruh menjadi sembarang neutrino dan antineutrinonya, dan lebih banyak tipe neutrino yang ada, lebih pendek waktu hidup boson Z.

Pengukuran terakhir meletakkan jumlah tipe neutrino ringan (dimana "ringan" berarti memiliki massa lebih kecil daripada setengah massa Z) pada 2.984±0.008.

Kemungkinan neutrino steril - neutrino yang tidak berperan serta dalam interaksi lemah tetapi yang dapat diciptakan melalui osilasi cita rasa - tidak dipengaruhi oleh pengukuran berbasis boson Z ini.

Hubungan antara enam - yang saat ini dikenal - kuark dalam Model Standard dan enam lepton, di antara mereka tiga neutrino, menyediakan bukti tambahan bahwa terdapat seharusnya tiga tipe secara pasti. Akan tetapi, bukti konklusif bahwasannya terdapat hanya tiga jenis neutrino menyisakan sebuah tujuan terabaikan dari fisika partikel.

Osilasi Cita Rasa

Neutrino selalu diciptakan atau dideteksi dengan cita rasa yang terdefinisi dengan baik (elektron, muon, tau). Akan tetapi, di dalam fenomena yang dikenal sebagai osilasi cita rasa neutrino, neutrino dapat berosilasi antara tiga cita rasa yang ada ketika mereka menjalar melalui ruang.

Secara khusus, hal ini terjadi karena keadaan eigen cita rasa neutrino bukanlah keadaan eigen Hamiltonian penjalaran. Ini memperkenankan neutrino yang dihasilkan sebagai neutrino elektron pada suatu tempat yang diberikan memiliki probabilitas yang dapat dihitung terdeteksi sebagai neutrino muon atau neutrino tau setelah ia menjalar ke tempat lain.

Efek ini pertama kali dinyatakan dalam kaitan dengan jumlah neutrino elektron yang dideteksi dari inti matahari gagal untuk memenuhi jumlah yang diharapkan, bertentangan dengan "soal neutrino matahari". Keberadaan osilasi cita rasa mengimplikasikan massa neutrino tak nol, karena jumlah campuran antara cita rasa neutrino sebanding dengan perbedaan kuadrat massanya (nol untuk neutrino tak bermassa).

Disamping asal massa neutrino, adalah mungkin bahwa neutrino dan antineutrino dalam fakta partikel yang sama, sebuah dugaan pertama kali diajukan oleh fisikawan Italia Ettore Majorana.

Sejarah

Neutrino pertama kali dipostulatkan pada tahun 1931 oleh Wolfgang Pauli untuk menjelaskan spektrum energi peluruhan beta, peluruhan neutron menjadi proton dan sebuah elektron. Pauli mengajukan teori bahwa sebuah partikel tak terdeteksi membawa beda teramati antara energi dan momentum sudut dari partikel awal dan partikel akhir.

Karena sifat-sifat "hantu" neutrino, deteksi eksperimental pertama-tama dari neutrino harus menunggu hingga sekitar 25 tahun setelah didiskusikan pertama kalinya.

Pada tahun 1956 Clyde Cowan, Frederick Reines, F.B. Harrison, H.W. Kruse dan A.D. McGuire mempublikasikan artikel yang berjudul "Deteksi Neutrino Bebas: Sebuah Penegasan" dalan Sains, sebuah hasil yang dianugerahi dengan hadiah Nobel pada tahun 1995.

Nama neutrino diusulkan oleh Enrico Fermi - yang mengembangkan teori awal yang mendeskripsikan interaksi neutrino - sebagai sebuah permainan kata dari neutrone, nama Italia dari neutron.

(Neutrone dalam bahasa Italia bermakna besar dan netral, dan neutrino bermakna kecil dan netral.)

Pada tahun 1962 Leon M. Lederman, Melvin Schwartz dan Jack Steinberger menunjukkan bahwa lebih dari satu neutrino yang ada dengan pertama - tama mendeteksi interaksi-interaksi neutrino muon. Ketika tipe ketiga lepton, yakni neutrino tau ditemukan pada tahun 1975 di Stanford Linear Accelerator, adalah begitu diharapkan untuk memiliki neutrino terkait.

Bukti pertama untuk tipe neutrino ketiga ini berasal dari pengamatan hilangnya energi dan momentum dalam peluruhan tau analog terhadap peluruhan beta yang memandu pada penemuan neutrino dalam tempat pertama.

Deteksi pertama dari interaksi neutrino tau nyata diumumkan pada musim panas tahun 2000 oleh kolaborasi DONUT di Fermilab, membuatnya menjadi partikel terakhir dalam Model Standard yang secara langsung teramati.

Kesulitan dalam pendeteksian neutrino diilustrasikan oleh Richard Feynman. Ia mengatakan, "Seluruh yang harus Anda lakukan adalah membayangkan sesuatu yang secara praktis tak ada. Anda dapat menggunakan menantu Anda sebagai prototipe".

Massa Neutrino

Model Standard dalam fisika partikel mengasumsikan bahwa neutrino tak bermassa, meskipun penambahan neutrino bermassa terhadap kerangka kerja dasar tidak sulit.

Sungguh-sungguh, fenomena yang mapan secara eksperimen dari osilasi neutrino mensyaratkan massa neutrino tak nol. Batas atas terkuat massa neutrino berasal dari kosmologi.

Model Big Bang memprediksi bahwa terdapat perbandingan yang tetap antara jumlah neutrino dan jumlah foton dalam gelombang kosmis latar belakang. Jika massa total dari seluruh tiga tipe neutrino melebihi 50 elektron volt (tiap neutrino), terdapat begitu banyak massa dalam alam semesta yang akan menyebabkan alam semesta runtuh.

Batas ini dapat dibelitkan dengan mengasumsikan bahwa neutrino adalah tak stabil; akan tetapi, terdapat batas-batas dalam Model Standard yang membuat hal ini menjadi sulit.

Fenomena Kosmologi

Neutrino adalah produk penting dari supernova. Paling banyak energi yang dihasilkan dalam supernova diradiasikan dalam bentuk kerkahan tak terukur dari neutrino, yang mana dihasilkan ketika proton dan elektron dalam inti terkombinasi membentuk neutron.

Bukti eksperimen pertama dari fenomena ini datang pada tahun 1987, ketika neutrino datang dari supernova terdeteksi.

Dalam peristiwa-peristiwa demikian, densitas inti menjadi begitu tinggi (1014 g/cm3) dimana interaksi antara neutrino yang dihasilkan dan materi sekeliling bintang menjadi penting.

Dipikirkan bahwa neutrino akan dihasilkan juga dari peristiwa-peristiwa lain semisal tumbukan bintang-bintang neutron.

Karena neutrino berinteraksi sedemikian kecil dengan materi, dipikirkan bahwa emisi neutrino supernova membawa informasi tentang daerah paling dalam dari ledakan.

Banyak cahaya nampak datang dari peluruhan elemen-elemen radioaktif yang dihasilkan oleh gelombang kejut supernova, dan bahkan cahaya dari ledakan itu sendiri dihamburkan oleh gas rapat dan turbulensi.

Neutrino pada sisi lain, melewati gas-gas ini, menyediakan informasi tentang inti supernova (dimana kerapatan adalah cukup besar untuk memengaruhi sinyal neutrino). Lebih jauh, retakan neutrino diharapkan untuk mencapai bumi sebuah sembarang gelombang elektromagnetik, mencangkup cahaya nampak, sinar gamma atau gelombang radio.

Penundaan waktu tertentu tidak diketahui, tetapi untuk supernova tipe II, ahli astronomi mengharapkan banjir neutrino dilepaskan berdetik-detik setelah keruntuhan inti bintang, sementara sinyal elektromagnetik pertama mungkin berjam-jam atau berhari-hari kemudian. Proyek SNEWS menggunakan sebuah jaringan detektor neutrino untuk memonitor langit bagi peristiwa-peristiwa calon supernova; diharapkan sinyal neutrino akan menyediakan sebuah peringatan lanjut yang berguna dari bintang yang meledak.

Deteksi neutrino

Neutrino dapat berinteraksi melalui arus netral (mencangkup pertukaran boson Z) atau arus muatan (mencangkup pertukaran boson W) interaksi lemah.

Dalam interaksi arus netral, neutrino meninggalkan detektor setelah memindahkan sebagian energinya dan momentum terhadap partikel sasaran. Seluruh tiga cita rasa neutrino dapat berperan serta tanpa melihat energi neutrino. Akan tetapi, tak ada informasi cita rasa neutrino tertinggal.

Dalam interaksi arus bermuatan, neutrino mentransformasi menjadi lepton pasangannya (elektron, muon, atau tau). Akan tetapi, jika neutrino tak memiliki energi yang cukup untuk menciptakan massa pasangan lebih beratnya, interaksi arus bermuatan tak tersedia baginya. Neutrino reaktor dan neutrino matahari memiliki cukup energi untuk menciptakan elektron.

Kebanyakan berkas neutrino berbasis akselerator dapat juga menciptakan muon, dan sedikit darinya menciptakan partikel tau. Sebuah detektor yang dapat membedakan antara lepton-lepton ini dapat mengungkapkan cita rasa neutrino datang dalam interaksi arus bermuatan. Karena interaksi mencangkup pertukaran boson bermuatan, partikel sasaran juga berubah karakter (misalnya, neutron ? proton).

Antineutrino pertama kali dideteksi pada tahun 1953 dekat reaktor nuklir. Reines dan Cowan menggunakan dua sasaran mengandung solusi kadmium klorida dalam air. Dua detektor skintilasi ditempatkan berikutnya terhadap sasaran kadmium.

Interaksi arus bermuatan antineutrino dengan proton dalam air menghasilkan positron dan neutron. Anihilasi positron hasil dengan elektron menciptakan foton dengan energi sekitar 0,5 MeV.

Pasangan foton yang bersesuaian dapat dideteksi dengan dua detektor skintilasi di atas dan di bawah sasaran. Neutron ditangkap oleh inti kadmium dihasilkan dalam sinar gamma sekitar 8 MeV yang dideteksi beberapa mikrodetik setelah foton dari peristiwa pelenyapan positron.

Detektor klorin terdiri dari sebuah tangki terisi dengan karbon tetraklorida. Sebuah neutrino mengubah sebuah atom klorin menjadi salah satu argon melalui interaksi arus bermuatan.

Fluida secara peiodik dibersihkan dengan gas helium yang akan memindahkan argon. Detektor klorin terdahulu Homestake Mine dekat Lead, South Dakota, mengandung 520 tangki pendek (470 metrik ton) fluida, membuat pengukuran pertama dari defisit neutrino elektron dari matahari (lhat problem neutrino matahari). Detektor sejenis didesain menggunakan sebuah galium transformasi germanium yang sensitif terhadap neutrino energi rendah.

Metode deteksi kimia adalah berguna hanya untuk menghitung neutrino; tak ada arah neutrino atau informasi energi yang tersedia.

Detektor "bayang-cincin" mengambil keuntungan cahaya Cherenkov yang dihasilkan oleh partikel bermuatan yang bergerak melalui sebuah mdium lebih cepat daripada kecepatan cahaya dalam medium tersebut. Dalam detektor ini, sebuah volue besar material bening (misal, air) dikelilingi oleh tabung pengganda cahaya sensitif cahaya.

Sebuah lepton bermuatan dihasilkan dengan energi yang cukup menciptakan cahaya Cherenkov yang meninggalkan sebuah pola karakteristik seperti cincin dari aktivitas pada susunan tabung pengganda cahaya. Pola ini dapat digunakan untuk menduga arah, energi, dan (kadang-kadang) informasi cita rasa tentang neutrino datang.

Dua detektor berisi air dari tipe ini (Kamiokande dan IMB) merekam pancaran neutrino dari supernova 1987a. Detektor terbesar demikian adalah Super-Kamiokande berisi air.

Observatorium Neutrino Sudbury (SNO) menggunakan air berat. Dalam tambahan interaksi neutrino tersedia dalam sebuah detektor air reguler, deuterium dalam air berat dapat diuraikan oleh neutrino.

Neutron bebas yang dihasilkan adalah yang berikutnya ditangkap, memancarkan semprotan sinar gamma yang mana dideteksi. Seluruh tiga cita rasa neutrino berpartisipasi secara sama dalam reaksi disosiasi ini.

Detektor MiniBooNE menggunakan minyak mineral murni sebagai medium deteksinya. Minyak mineral adalah skintilator alami, sehingga patikel bermuatan tanpa energi yang cukup untuk menghasilkan cahaya Cherenkov masih dapat menghasilkan cahaya skintilasi. Ini memperkenankan muon dan proton energi rendah, tak nampak di air, menjadi terdeteksi.

Kalorimeter jejak semisal detektor MINOS, gunakan bidang bolak-balik dari material absorber dan material detektor.

Bidang absorber menyediakan massa detektor sementara bidang detektor menyediakan informasi jejak. Baja adalah sebuah pilihan absorber populer, menjadi rapat relatif dan tak mahal dan memiliki keuntungan yang dapat dimagnetisasi.

Nova mengajukan saran penggunaan papan partikel sebagai cara yang murah mempeoleh jumlah yang besar dari kerapatan massa yang kecil.

Detektor aktif seringkali adalah skintilator plastik atau cairan, dibaca dengan jelas menggunakan tabung pembesar foto, meskipun berbagai jenis bak ionisasi juga telah digunakan. Kalorimeter penjejak hanya berguna untuk neutrino energi tinggi (skala GeV). Pada energi-energi ini, interaksi arus netral muncul sebagai penunjuk jejak hadron dan interaksi arus bermuatan diidentifikasi dengan kehadiran jejak lepton bermuatan (mungkin sepanjang bentuk jejak hadron).

Muon dihasilkan dalam interaksi arus bermuatan yang meninggalkan jejak tembus yang panjang dan mudah untuk ternoda. Panjang jejak muon ini dan kelengkungannya dalam medan magnetik menyediakan informasi energi dan muatan (µ + terhadap µ -).

Sebuah elektron dalam detektor menghasilkan "gerimis" elektromagnetik yang dapat dibedakan dari "gerimis" hadron jika granularas dari detektor aktif adalah kecil dibandingkan dengan luasan fisis "gerimis".

Lepton tau meluruh secara esensial dengan segera terhadap kedua pion atau lepton bermuatan lain, dan tak dapat diamati secara langsung dalam jenis detektor ini.

(Untuk mengamati secara langsung tau, pengamat secara khas mencari sebuah kink dalam jejak di emulsi fotografi.)

Kebanyakan eksperimen neutrino harus mengalamatkan fluks sinar kosmis yang membombardir permukaan bumi. Eksperimen neutrino energi lebih tinggi (di atas 50 MeV) seringkali mencangkup atau meliputi detektor utama dengan sebuah detektor "veto" yang mengungkapkan ketika sinar kosmis melewati detektor utama, memperkenankan aktivitas yang bersesuaian dalam detektor utama diabaikan ("diveto"). Untuk eksperimen energi rendah, sinar kosmis tidaklah secara langsung suatu masalah.

Sebagai ganti, neutron-neutron spalasi dan radioisotop yang dihasilkan oleh sinar kosmis dapat menyerupai sinyal fisika yang dihasilkan. Untuk eksperimen ini, solusi adalah menempatkan detektor di kedalaman bawah tanah sehingga bumi di atasnya dapat mengurangi laju sinar kosmis hingga tingkat yang dapat ditoleransi.

Kuark Up

Kuark up adalah kuark generasi pertama dengan muatan +(2/3)e. Adalah yang paling ringan dari seluruh kuark, dengan massa polos antara 1,5 dan 4 MeV. Menurut Model Standard fisika partikel, dua kuark stabil ini adalah isi fundamental dari nukleon; proton mengandung dua kuark up dan sebuah kuark down, sedangkan neutron mengandung satu kuark up dan dua kuark down. Catat bahwa mayoritas massa dalam nukleon berasal dari energi dalam medan gluon mengikat kuark bersama-sama, dan bukan massa kuark itu sendiri).

Kuark up ditemukan ketika Gell-Mann dan Zweig mengembangkan model kuark pada tahun 11964, dan bukti pertama untuk penemuan mereka ditemukan dalam eksperimen hamburan tak elastik di SLAC pada tahun 1967.

Kuark down

Kuark down adalah kuark generasi pertama dengan muatan -(1/3)e. Ini adalah kuark paling ringan kedua dari seluruh kuark, dengan massa polos antara 4 dan 8 MeV. Menurut Model Standard fisika partikel, dua kuark stabil ini adalah penyusun fundamental dari nukleon; proton mengandung satu kuark down dan dua kuark up, sedangkan neutron mengandung dua kuark down dan satu kuark up.

(Catat bahwa sebagian besar massa nukleon berasal dari energi dalam medan gluon yang mengikat kuark bersama-sama, dan bukan massa kuark itu sendiri.)

Kuark down dditemukan ketika Gell-Mann dan Zweig mengembangkan model kuark pada tahun 1964, dan bukti pertama untuk mereka ditemukan dalam eksperimen hamburan tak elastik di SLAC pada tahun 1967.

Kuark Pesona

Kuark pesona adalah kuark generasi kedua dengan muatan +(2/3)e . Ini adalah kuark paling masif ketiga pada 1,3 GeV (sebuah bit lebih dari massa proton). Ini diprediksi pada tahun 1970 oleh Sheldon Glashow, John Iliopoulos, dan Luciano Maiani, dan pertama-tama diamati pada tahun 1974, dengan penemuan partikel pesona J/? di SLAC oleh grup yang dipimpin oleh pemenang Nobel dan fisikawan Amerika Burton Richer.

Kuark Aneh

Kuark aneh adalah sebuah kuark generasi kedua dengan sebuah muatan -(1/3)e dan keanehan -1. Ini adalah kuark paling ringan kecuali untuk kuark up dan down, dengan sebuah massa antara 80 dan 130 MeV. Partikel aneh pertama (partikel yang mengandung sebuah kuark aneh) ditemukan pada tahun 1947, dengan identifikasi kaon, tetapi kuark aneh itu sendiri tidaklah diidentifikasi hingga Gell-Mann dan Zweig mengembangkan model kuark pada tahun 1964.

Kuark Top

Kuark top adalah kuark generasi ketiga dengan muatan +(2/3)e. Meskipun seluruh kuark dideskripsikan dalam cara serupa dengan teori Kromodinamika Kuantum, kuark top benar-benar paling masif: sebagaimana tahun 2005 massa kuark top diukur sekitar 173 GeV (secara dekat seberat inti emas).

Dikarenakan hal ini, ia meluruh begitu cepat sehingga ia tidak hadronize (menawarkan kesempatan jarang untuk mempelajari kuark “polos”); jadi tanda eksperimental dari kuark top adalah tanda partikel ia hampir selalu meluruh menjadi: kuark bottom dan sebuah boson W.

Telah disarankan bahwa massa besar tak diharapkan adalah indikator sumpersimetri.

Kuark top ditemukan pada tahun 1995 di Fermilab, dimana pemercepat Tevatron menyisakan hanya energetik pemercepat partikel yang cukup untuk menghasilkan kuark top.

Pada penemuannya, suatu usaha yang gagah berani dibuat oleh banyak fisikawan partikel untuk menamainya “Kebenaran (truth)”, berpasangan dengan “Cantik (beauty)”. Lisensi puisi memberi jalan pragmatis, dan kuark dinamai Top (puncak) dan bottom.

Kuark top adalah generasi ketiga kuark tipe up dengan muatan +(2/3)e. Ia ditemukan pada tahun 1995 oleh eksperimen CDF dan D0 di Fermilab, dan sejauh ini dikenal sebagai partikel elementer yang paling masif. Massanya terukur sekarang ini pada 174.2±3.3 GeV, sedekat berat inti emas.

Kuark top berinteraksi utamanya dengan interaksi kuat namun hanya dapat meluruh melalui gaya lemah. Ia hampir secara eklusif meluruh menjadi W boson dan kuark bottom. Model Standar memprediksi waktu hidupnya secara kasar 1×10^-25 detik; ini sekitar 20 kali lebih pendek dibanding skala waktu untuk interaksi kuat, dan oleh karenanya ia tidaklah hadronize, memberi fisikawan kesempatan unik untuk mempelajari kuark “polos”.

Sejarah

Dalam tahun-tahun yang mengarah ke penemuan kuark top, disadari bahwa pengukuran presisi tertentu dari massa boson vektor elektrolemah dan kopling sangat sensitif terhadap nilai massa kuark top.

Efek-efek ini menjadi jauh lebih besar untuk nilai tinggi massa kuark top dan oleh karena itu dapat secara tak langsung melihat kuark top bahkan jika ia tak dapat secara langsung dihasilkan dalam sembarang percobaan pada saat itu.

Efek yang paling besar dari massa kuark top adalah pada parameter T dan pada tahun 1994 presisi dari pengukuran tak langsung ini membawa pada prediksi massa kuark top menjadi antara 145 GeV dan 185 GeV. Ini adalah perhitungan presisi yang membawa Gerardus ‘t Hooft dan Martinus Veltman memenangkan Hadiah Nobel Fisika tahun 1999.

Kuark top ditemukan pada tahun 1995 di Fermilab, yang mana pemercepat Tevatron menyisakan hanya pemercepat partikel energetik cukup untuk menghasilkan kuark top (hingga LHC dan CERN tiba pada tahun 2008).

Produksi dan Peluruhan

Mulai dari tahun 2007, Tevatron Fermilab adalah hanya tempat di dunia dimana kuark top dapat dihasilkan. Tevatron adalah kompleks pemercepat yang mana menumbukkan proton dan anti proton pada pusat energi momentum 1.96 TeV. Terdapat dua proses produksi utama:

•Produksi pasangan melalui interaksi kuat. Proses ini pertama kali diamati secara serempak oleh dua kolaborasi eksperimental pada Fermilab, CDF dan D0 pada tahun 1995. •Produksi tunggal melalui interkasi lemah. Mulai Desember 2006, kejadian tiga-sigma telah diamati untuk proses produksi ini oleh Kolaborasi D0 di Fermilab.

Massa Kuark Top dan Hubungannya dengan Boson Higgs

Model Standar mendeskripsikan massa fermion melalui mekanisme Higgs. Boson Higgs memiliki kopling Yukawa terhadap kuark top sisi kiri dan kanan. Setelah perusakan simetri elektrolemah (ketika Higgs memperoleh nilai ekspektasi vakum), campuran komponen sisi kiri dan kanan, menjadi suku massa. Kopling Yukawa kuark top memiliki nilai, dimana adalah nilai dari nilai ekspektasi vakum Higgs [7].

Kuark Bottom

Kuark bottom adalah kuark generasi ketiga dengan muatan –(1/3)e. Meskipun seluruh kuark dideskripsikan dalam cara serupa oleh teori Kromodinamika Kuantum, massa besar kuark bottom (sekitar 4 GeV, atau empat kali massa proton) memberinya tanda berbeda yang membuatnya relatif mudah untuk mengidentifikasi secara eksperimental (sebuah teknik yang disebut B-tagging).

Karena tiga generasi kuark diperlukan untuk pelanggaran CP, meson mengandung kuark bottom adalah partikel paling mudah untuk digunakan menyelidiki fenomena; hal ini dilakukan pada eksperimen BaBar dan Belle.

Kuark bottom juga terkemuka karena ia adalah hasil dalam hampir seluruh peluruhan kuark top, dan hasil peluruhan yang sering untuk Boson Higgs hipotesis jika ia cukup ringan. Kuark bottom ditemukan di Fermilab pada tahun 1977.

Kelahiran Keluarga Boson - Foton

Dalam fisika, foton (dari bahasa Yunani yang bermakna cahaya) adalah kuantum medan elektromagnetik, sebagi contoh cahaya. Foton pada awalnya disebut “kuanta energi”.

Foton dapat dipandang sebagai helombang atau partikel, bergantung pada bahagaimana ia diukur. Foton adalah salah satu partikel elementer. Interaksinya dengan elektron dan inti atom bertanggung jawab untuk banyak bentuk materi, semisal keberadaan dan stabilitas atom, molekul dan zat padat. Interaksi ini dipelajari dalam elektrodinamika kuantum, yang merupakan bagian paling tua dari Model Standar fisika partikel.

Dalam beberapa kasus foton berperilaku sebagai partikel, sebagai contoh ketika pencatatan oleh perangkat sensitif cahaya dalam kamera. Menurut apa yang disebut dualitas partikel-gelombang dalam fisika kuantum, adalah alami bagi foton untuk menunjukkan kedua aspek alamnya, menurut keadaannya. Secara normal, cahaya dibentuk dari sejumlah besar foton, dengan intensitas terkait number mereka. Pada intensitas rendah, ia memerlukan instrumen yang sangat peka, digunakan dalam astronomi atau spektroskopi, sebagai misal, mendeteksi foton individual.

Sifat-sifat

Foton secara umum dikaitkan dengan cahaya nampak, namun hal ini sesungguhnya hanya bagian terbatas dari spektrum elektromagnetik. Seluruh radiasi elektromagnetik dikuantisasi sebagai foton: yakni, jumlah paling kecil radiasi elektromagnetik yang dapat ada dalam satu foton, apa pun panjang gelombangnya, frekuensinya, energi atau momentumnya.

Foton adalah partikel fundamental. Foton dapat dihasilkan dan dimusnahkan ketika berinteraksi dengan partikel lain, namun tak diketahui meluruh pada diri mereka sendiri. Tak seperti kebanyakan partikel, foton tak memiliki massa intrinsik yang dapat dideteksi atau “massa diam” (berlawanan dengan massa relativistik). Foton selalu bergerak pada kecepatan cahaya (yang bervariasi menurut medium dimana foton menjalar) berkenaan dengan seluruh pengamat.

Di samping ketiadaan massa, foton memiliki momentum yang sebanding dengan frekuensi mereka (atau berbanding terbalik dengan panjang gelombang mereka), dan momentum ini dapat ditransfer ketika foton menumbuk materi(seperti bola bilyar yang bergerak mentransferkan momentum ke bola lain).

Ini dikenal sebagai tekanan radiasi, dimana mungkin suatu hari digunakan untuk pendorong dengan layar matahari. Foton dibelokkan oleh medan gravitasi dua kali sebanyak mekanika Newton prediksi untuk massa yang menjalar pada kecepatan cahaya dengan momentum yang sama sebagaimana foton.

Pengamatan ini pada umumnya dirujuk sebagai bukti pendukung relativitas umum, teori gravitasi yang sangat sukses yang dipublikasikan pada tahun 1915 oleh Albert Einstein. Dalam relativitas umum, foton selalu menjalar dalam garis “lurus”, setelah mempertimbangkan kelengkungan ruang –waktu. (Dalam ruang lengkung, ini disebut geodesik).

Penciptaan Foton

Foton dihasilkan oleh atom ketika elektron terikat bergerak dari satu orbital menuju orbital yang lain dengan lebih sedikit energi. Foton dapat juga diemisikan oleh inti atom tak stabil ketika ia mengalami beberapa tipe peluruhan inti atom. Lebih jauh, foton dihasilkan kapan pun partikel bermuatan dipercepat.

Atom secara kontinyu mengemisikan foton dikarenakan tumbukan mereka satu sama lain. Distribusi panjang gelombang foton-foton ini dikaitkan dengan temperatur absolut mereka (biasanya dalam Kelvin).

Distribusi Maxwell-Boltzmann menyediakan probabilitas foton menjadi panjang gelombang tertentu ketika diemisikan oleh himpunan atom pada temperatur yang diberikan. Spektrum foton demikian secara normal ditemukan dalam jangkauan antara gelombang mikro dan merah infra, namun objek panas akan mengemisikan cahaya tampak juga.

Sebagaimana temperatur lebih jauh meningkat, beberapa foton akan mencapai bahkan frekuensi tinggi, semisal ultra ungu dan sinar-X. Radio, televisi, radar dan tipe lain transmiter digunakan untuk telekomunikasi dan remote sensing secara rutin menciptakan jenis yang lebar dari foton energi rendah dengan osilasi medan listrik dalam konduktor.

Magnetron mengemisikan foton koheren digunakan dalam oven mikrowave rumah tangga. Tabung klystron digunakan ketika emisi gelombang mikro harus lebih baik dikendalikan.

Maser dan laser menciptakan foton monokromatik dengan emisi stimulasi. Lebih banyak foton energetik dapat diciptakan oleh transisi nuklir, pemusnahan partikel-anti partikel, dan dalam tumbukan partikel energi tinggi.

Spin

Foton memiliki spin 1 dan mereka oleh karenanya dikelompokkan sebagai boson. Foton memediasi medan elektromagnetik. Yakni, mereka adalah partikel yang memungkinkan partikel lain berinteraksi satu sama lain secara elektromagnetik dan dengan medan elektromagnetik, sehingga mereka adalah gauge boson.

Secara umum, boson dengan spin 1 seharusnya dapat diamati dengan tiga proyeksi spin berbeda (-1, 0, dan 1). Akan tetapi, proyeksi nol akan memerlukan kerangka dimana foton pada keadaan diam.

Karena massa (diam) adalah nol, sehingga kerangka tak ada, menurut teori relativitas. Sehingga foton dalam ruang kosong selalu menjalar pada kecepatan cahaya, dan menunjukkan hanya dua proyeksi spin, berhubungan dengan dua polarisasi sirkuler berlawanan.

Oleh karena massa intrinsik nol, foton oleh karenanya selalu terpolarisasi secara transversal, dalam cara yang sama sebagaimana gelombang elektromagnetik, dalam ruang kosong.

Gluon

Dalam fisika partikel, gluon memediasi interaksi kuat dari kuark dalam kromodinamika kuantum. Bukti eksperimental pertama dari gluon ditemukan pada tahun 1979 ketika tiga peristiwa jet teramati dalam collider elektron-positron yang disebut PETRA di DESY Hamburg.

Studi kuantitatif hamburan sangat tak elastik (deep inelastic scattering) di Stanford Linear Accelerator Center megukuhkan keberadaan mereka satu dekade sebelumnya. Kegagalan pencarian kuark bebas telah membawa ide kurungan kuark.

Gluon juga kebagian sifat ini dengan menjadi terkurung dalam hadron. Dengan lebih baik, kurungan adalah sifat yang mengatakan bahwa muatan warna bebas tak ada. Satu konsekuensi adalah bahwa gluon tidak tercangkup dalam gaya nuklir. Mediator gaya untuk hal ini adalah hadron lain yang disebut meson.

Gluon adalah boson vektor; ia memiliki spin satu. Biasanya partikel vektor memiliki tiga keadaan spin, namun invariansi gauge mereduksi jumlah keadaan spin dari gluon menjadi dua.

Ia memiliki paritas intrinsik negatip, dan memiliki isospin nol. Dalam teori medan kuantum, invariansi gauge tak rusak mempersyaratkan ahwa boson gauge memiliki massa nol (meskipun batas eksperimental untuk massa gluon adalah sedikit MeV).

Tak seperti foton tunggal dari QED atau tiga boson W dan Z dari interaksi lemah, terdapat delapan tipe independen dari gluon dalam QCD.

Secara teknis QCD adalah teori gauge dengan simetri gauge SU(3). Kuark diperkenalkan sebagai medan Dirac dalam Nf flavour, masing-masing dalam representasi fundamental (triplet) dari grup gauge warna, SU(3). Gluon adalah medan vektor dalam representasi adjoint (octet) dari warna SU(3).

Dalam fase normal dari QCD, ini diprediksi bahwa terdapat hadron yang dibentuk secara keseluruhan dari gluon – disebut bola lem (glueball).

Terdapat juga dugaan tentang eksotik yang lain di mana gluon riil (berlawanan dengan yang nyata ditemukan dalam hadron biasa) akan menjadi pengisi utama.

Pada temperatur ekstrem, bentuk plasma gluon kuark, dimana tak ada hadron, dan gluon menjadi partikel bebas.

Graviton

Di fisika, graviton adalah partikel elementer hipotesis yang mentransmisikan gaya gravitasi dalam kebanyakan sistem gravitasi kuantum.

Untuk melakukan hal ini, satu teori mengusulkan sebagai fakta bahwa graviton harus selalu tarik-menarik (gravitasi tak pernah tolak-menolak), bekerja jarak jauh (gravitasi adalah universal) dan hadir dalam jumlah tak terbatas (untuk menyediakan kekuatan besar bintang-bintang dekat). Dalam teori kuantum, persyaratan ini mendefinisikan sebuah spin genap (spin 2 dalam kasus ini) boson dengan massa diam nol.

Graviton dipostulatkan secara sederhana karena teori kuantum begitu sukses dalam medan lain. Sebagai contoh, interaksi elektromagnetik dapat begitu sukses dijelaskan dengan penerapan kuantisasi foton, sains dikenal sebagai elektrodinamika kuantum.

Dalam kasus ini foton secara kontinyu diciptakan dan dimusnahkan oleh seluruh partikel bermuatan, dan interaksi antara foton-foton ini menghasilkan efek serupa dari listrik dan magnet. Dalam cara yang sama, gaya nuklir kuat Dan gaya nuklir lemah dimediasi oleh gluon dan oleh boson W dan Z.

Diberikan sukses luas teori kuantum dalam menjelaskan gaya-gaya dasar di alam semesta kecuali gravitasi, ini kelihatan natural bahwa metode yang sama bekerja baik pada gravitasi juga.

Banyak usaha pada akhirnya menuju pengantar graviton tak nampak, yang akan bekerja daam bentuk serupa terhadap proton, gluon dst.

Diharapkan bahwa hal ini akan secara cepat menuju teori gravitasi kuantum, meskipun matematika menjadi tergulungb dan teori konsisten internal telah muncul.

Boson W dan Z

Dalam fisika, boson W dan Z adalah partikel elementer yang memediasi gaya nuklir lemah. Penemuan mereka di CERN pada tahun 1983 telah digembar-gemborkan sebagai sukses utama Model Standar fisika partikel.

Partikel W dinamai setelah gaya nuklir kuat. Partikel Z adalah semi humor diberi nama demikian karena ia dikatakan sebagai partikel terakhir yang perlu ditemukan. Penjelasan yang lain adalah bahwa partikel Z menurunkan namanya dari fakta bahwa ia memiliki muatan listrik nol.

Sifat-sifat Dasar W dan Z

Dua jenis boson W ada dengan +1 dan -1 unit elementer dari muatan listrik; W+ adalah anti partikel dari W-. Boson Z (atau Z0) secara kelistrikan netral dan adalah anti partikelnya. Seluruh tiga partikel adalah berumur sangat pendek dengan waktu hidup sekitar 3 × 10-25 detik.

Boson-boson ini adalah sangat berat di antara partikel elementer. Dengan massa 80,4 dan 91,2 GeV/c2, berturut-turut, partikel W dan Z adalah hampir 100 kali semasif proton-lebih berat daripada atom besi.

Massa boson-boson ini adalah signifikan karena ia membatasi jangkauan gaya nuklir lemah. Gaya elektromagnetik, sebagai kontras, memiliki jangkauan tanpa batas karena bosonnya (foton) adalah tak bermassa. Seluruh tiga tipe memiliki spin 1.

Gaya Nuklir Lemah

Boson W dan Z adalah partikel pembawa yang memediasi gaya nuklir lemah, sangat mirip foton adalah partikel pembawa gaya elektromagnetik. Boson W dikenal sangat baik untuk peranannya dalam peluruhan nuklir. Tinjau, sebagai contoh, peluruhan beta dari cobalt-60, sebuah proses penting dalam peledakan supernova dan bom neutron.

Reaksi ini tidak mencangkup keseluruhan inti cobalt-60, namun memengaruhi hanya satu dari 33 neutronnya. Neutron diubah menjadi proton sementara juga mengemisikan elektron (disebut partikel beta dalam konteks ini) dan sebuah antineutrino.

Lagi, neutron bukan partikel elementer namun partikel komposit terdiri dari kuark up dan dua kuark down (udd). Hal ini dalam fakta salah satu dari kuark down yang berinteraksi dalam peluruhan beta, mengubah kuark up untuk membentuk proton (uud). Pada level yang paling fundamental, gaya lemah mengubah flavor kuark tunggal, yang mana segera diikuti oleh peluruhan W itu sendiri.

Menjadi anti partikelnya sendiri, boson Z memiliki seluruh bilangan kuantum nol. Pertukaran boson Z antara partikel, disebut interaksi arus netral, oleh karenanya membiarkan partikel berinteraksi tak terpengaruh, kecuali untuk transfer momentum.

Tak seperti peluruhan beta, pengamatan interaksi arus netral memerlukan investasi yang besar dalam akselerator dan detektor partikel, seperti tersedia dalam hanya sedikit laboratorium fisika energi tinggi di dunia.

Prediksi W dan Z

Menurut sukses spektakuler elektrodinamika kuantum dalam tahun 1950-an, usaha-usaha dilakukan untuk memformulasikan teori serupa dari gaya nuklir lemah.

Ini berpuncak sekitar tahun 1968 dalam teori gabungan elektromagnetik dan interaksi lemah oleh Sheldon Glashow, Steven Weinberg dan Abdus Salam, dimana mereka berbagi Hadiah Nobel Fisika tahun 1979. Teori elektrolemah mereka dipostulatkan tak hanya boson W yang diperlukan untuk menjelaskan peluruhan beta, namun juga boson Z baru yang belum pernah teramati.

Fakta bahwa boson W dan Z memiliki massa sementara foton tak bermassa adalah rintangan utama dalam pengembangan teori elektrolemah. Partikel-partikel ini secara akurat dideskripsikan oleh teori gauge SU(2), namun boson-boson dalam teori gauge harus tak bermassa.

Sebagai sebuah kasus, foton tak bermassa karena elektromagnetik dideskripsikan oleh teori gauge U(1). Beberapa mekanisme diperlukan untuk merusak simetri SU(2), memberi massa terhadap W dan Z dalam proses.

Satu penjelasan, mekanisme Higgs, disampaikan oleh Peter Higgs akhir tahun 1960-an. Hal ini memprediksi keberadaan partikel yang belum ditemukan, boson Higgs.

Kombinasi teori gauge SU(2) dari interaksi lemah, interaksi elektromagnetik dan mekanisme Higgs dikenal sebagai model Glashow-Weinberg-Salam. Hari ini model tersebut secara luas diterima salah satu dari pilar Model standar fisika partikel.

Hingga tahun 2003, hanya prediksi Model Standar yang belum ditetapkan secara eksperimental adalah keberadaan boson Higgs.

Penemuan W dan Z

Penemuan partikel W dan Z adalah cerita sukses utama CERN. Pertama, pada tahun 1973, datang pengamatan interaksi arus netral sebagaimana diprediksi oleh teori elektrolemah.

Kamar gelembung Gargamelle besar memfoto lintasan beberapa elektron tiba-tiba mulai bergerak, nampaknya dari persesuaian milik mereka. Hal ini ditafsirkan sebagai neutrino yang berinteraksi dengan elektron dengan mempertukarkan Z boson yang tak tampak.

Neutrino adalah cara lain yang tak terdeteksi, sehingga hanya efek teramati adalah momentum yang disampaikan ke elektron oleh interaksi. Penemuan partikel W dan Z harus menunggu pembangunan akselerator partikel yang cukup tenaga untuk menghasilkan mereka.

Mesin pertama demikian yang tersedia adalah Super Proton Synchrotron, dimana sinyal terang partikel W terlihat pada Januari 1983 selama serangkaian eksperimen yang dilakukan oleh Carlo Rubia dan Simon van der Meer. (Eksperimen aktual disebut UA1 (dipimpin oleh Rubia) dan UA2, dan adalah usaha kolaborasi dari banyak orang. Van der Meer adalah daya penggerak ujung akselerator (pendingin stokastik).)

UA1 dan UA2 menemukan Z beberapa bulan kemudian, dalam bulan Mei 1983. Rubbia dan van der Meer dengan segera dianugerahi Hadiah Nobel Fisika, sebuah tahapan yang sangat tak biasa untuk Yayasan Nobel yang konservatif.