Physics and Chemistry Mencari Partikel Tuhan

Menarik membaca berita hari ini, satu koneksi buruk menyebabkan ‘mesin penghancur atom’ ditutup, hanya setelah beberapa hari dioperasikan. Kesalahan yang hanya disebabkan oleh satu penyolderan yang buruk dari 10ribu koneksi adalah sebuah kesalahan kecil, tetapi menyebabkan pengoperasian menjadi tertunda dalam jangka waktu lama, ditambah lagi biaya operasionalnya yang besar. Paling tidak pengoperasian berikutnya baru bisa dilakukan lagi setelah bulan Mei tahun depan.

​

Alat apakah itu? Yang sampai sebegitu rumitnya? ‘Mesin penghancur atom’ itu adalah sebuah alat yang disebut sebagai Large Hadron Collider (LHC) milik CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire/Organisasi Eropa untuk Riset Nuklir), sebuah alat yang berupa terowongan berbentuk lingkaran dengan keliling sebesar 27 km, di dalam tanah dalam perbatasan Swiss-Prancis di Jenewa. Alat tersebut dibuat untuk mempelajari komponen terkecil dari materi, sehingga bisa menjelaskan semua benda di dalam alam semesta ini bisa terbuat. Sekaligus bisa memberikan gambaran seperti apakah ‘big bang’, berdasarkan komponen-komponen terkecil tersebut ada, yang mana ‘big bang‘ sendiri merupakan teori tentang terciptanya alam semesta. Mengapa itu bisa terjadi, karena dengan LHC, para ilmuan menguji tumbukan-tumbukan partikel ber-energi sangat tinggi, sehingga bisa ‘melihat’ gambaran tentang materi pada skala yang sangat-sangat kecil, sebagaimana yang terbentuk sesaat ketika seper-semilyar detik setelah big-bang.

Lalu? Apa perlunya itu semua penemuan-penemuan partikel yang sangat-sangat kecil itu? Yang pasti karena memang belum ditemukan keberedaannya, tetapi upaya tersebut merupakan upaya yang penting dalam menjelaskan fenomena yang sangat fundamental. Di dalam fisika dikenal adanya Model Standar yang menjelaskan bagaimana partike-partikel berinteraksi secara fundamental di alam.

Semua persamaan-persamaan dalam Model Standar (kecuali persamaan gravitasi) menjelaskan gaya dan interaksi di alam tanpa menyertakan adanya besaran massa. Agar setiap partikel elementer di alam mempunyai bobot massa, secara hipotesa diperkenalkan adanya partikel elementer skalar masif, yang disebut sebagai High-Bosson. Disebut sebagai hipotesa, karena keberadaannya belum ditemukan, melainkan merupakan perumusan fisika dari medan Higgs, (dari nama fisikawan Peter Higgs). Secara umum disebut sebagai partikel Higgs-Boson.

Oleh karena itu, untuk mempelajari keberadaannya, para fisikawan harus ‘menghancurkan’ partikel-partikel sampai ke tingkat di mana semua menjadi komponen paling elementer yang bisa diperoleh, menjadi energi, yang kemudian termaterialisasi kembali sebagaimana apa adanya. Medan Higgs, jika ada akan menyebabkan ketika partikel dihancurkan sampai menjadi quark, atau partikel-partikel lain, akan mempunyai ke-khas-an bergantung massa. Semakin besar massa, semakin banyak hancur menjadi bentuk partikel lebih kecil bahkan sampai menjadi energi, yang akan direkam dan diperhitungkan oeh detektor, jika dihancurkan oleh mesin penghancur partikel. Kemudian ketika berkondensasi maka akan kembali menjadi partikel-partikel, bahkan bila mungkin akan menjadi partikel yang sebelumnya pernah ditemukan. Masalahnya adalah, sejauh yang telah dilakukan, tumbukan partikel selalu menghasilkan jenis partikel yang sama, sehingga ada hal hal lain yang harus diperhatikan.

Fisika energi tinggi adalah mengenai statistik. Sedangkan quantum itu berisi ‘ketidakpastian’, di mana interaksi pada tingkat sub-atomik merupakan kejadian yang berlangsung secara acak, sehingga sekalipun tidak ada kejadian fisika yang terjadi, tetapi data pengamatan menunjukkan adanya ‘kejadian menarik’. Oleh karena itu, untuk mendapatkan sesuatu ‘kejadian yang berulang’, (yang artinya memang sesuatu memang terjadi), maka harus dilakukan pengukuran secara terus menerus dalam jangka waktu yang panjang dengan kalibrasi pengukuran yang tetap terjaga selama pengukuran tersebut berlangsung. Hanya dengan satu kejadian saja tidak akan cukup untuk mengatakan bahwa sesuatu itu ‘ada’.

Jadi, LHC adalah mesin besar yang akan menghancurkan atom-atom sehingga bisa membuktikan bahwa Higgs Bosson (partikel Higgs) itu memang benar ada? Itu adalah salah satu alasan, tetapi alasan yang paling fundamental (raison d’être) adalah berdasarkan persamaan fundamental hubungan massa energi yang sangat terkenal dan dirumuskan oleh Albert Einstein: E = mc2. Sehingga dengan mempercepat partikel-partikel (dalam hal ini partikel-partikel yang dipergunakan adalah hadron, yaitu proton dan timbal), mencapai kelajuan yang hampir mencapai laju cahaya, kemudian ditumbukkan maka energinya menjadi sangat luar biasa sehingga bisa berubah menjadi partikel-partikel jenis yang lain. Dari konversi materi-energi ini lah diharapkan akan tercipta materi-materi yang mungkin tercipta pada saat awal alam semesta ada dan hanya tercipta sesaat sebagai penyusun awal alam semesta.

Sebagaimana namanya, LHC mempergunakan Hadron untuk ditumbukkan, dan dua jenis hadron yaitu proton dan/atau timbal, karena:

Keduanya bermuatan, sehingga bisa dipercepat oleh gaya elektromagnetik yang diciptakan oleh peralatan.
Keduanya tidak mudah meluruh karena berat dan tidak akan kehilangan banyak energi ketika dipercepat di dalam lingkaran.

Jika memang demikian yang terjadi, lalu apa istimewanya sehingga pencarian partikel ini bisa berdampak besar bagi ilmu pengetahuan dan juga pemahaman kita tentang alam semesta? Partiel Higgs boson, dikenal juga sebagai partikel Tuhan, karena jika memang benar ada, partikel tersebut bisa menjelaskan banyak hal yang berkaitan keberadaan fisik benda-benda yang ada di seluruh alam semesta.

Secara umum, studi dari LHC diharapkan bisa menjawab beberapa pertanyaan, yang pertama tentunya keberadaan partikel Higgs boson. Selain itu, beberapa hal yang lain adalah:

Partikel Simetri Super. Semenjak awal tahun 1970-an, studi teori String telah dilakukan untuk menjawab impian Einstein yang belum terjawab, yaitu menyatukan semua teori menjadi Teori Tunggal (unified theory), yaitu hanya ada satu teori yang bisa menjelaskan interaksi semua gaya dan materi di alam semesta. Menurut teori simetri super, setiap spesies partikel (elektron, quark, neutrino, dll), simetri super menyebabkan keberadaan spesies pasangan – disebut sebagai spartikel (selektron, squark, sneutrino, dll) -, yang sampai sekarang belum pernah ditemukan. Dibutuhkan tumbukan yang lebih hebat sehingga spesies tersebut bisa ditemukan, (bila memang ada). LHC diperhitungkan cukup kuat untuk mengamati keberadaannya. Dan bila memang ditemukan, bisa juga memberi gambaran mengenai materi gelap – materi yang tidak memberikan informasi cahaya, dan hanya diketahui dari pengaruh gravitasinya. Materi gelap ada melimpah di dalam alam semesta ini, dan diduga bahwa materi gelap tersusun dari spartikel.

Partikel Antardimensi. Pemahaman kita pada ruang lebih banyak dipahami sebagai ruang dalam tiga dimensi, seperti kiri-kanan, atas-bawah, depan-belakang. Einstein sendiri telah menunjukkan bahwa ruang yang kita pahami lebih dari yang bisa kita lihat karena gravitasi merupakan kelengkungan dalam dimensi ruang (dan waktu), sehingga membongkar pemahaman kita akan ruang dan waktu. Sekarang, dengan adanya LHC, saatnya membuktikan. Dari perhitungan mempergunakan teori String, ada serpihan kecil akibat tumbukan proton yang terlempar keluar dari dimensi ruang yang kita kenal dan ‘terperangkap’ pada dimensi yang lain, ditandai dengan hilangnya sejumlah energi yang dibawa oleh serpihan tersebut. Tetapi kita masih belum tahu seberepa kuat tumbukan tersebut dibutuhkan sehingga proses tersebut terjadi, karena angkanya sendiri bergantung pada ketidaktahuan yang lain: seberapa kecil/besar dimensi ekstra, (jika memang ada). Ada atau tidak, pengujian dengan LHC tetap dilakukan dan hasilnya akan menentukan itu.

Hal yang lain adalah, Lubang Hitam Mikro. Studi dari teori String juga memberikan pendapat bahwa dengan tumbukan, maka lubang hitam bisa terbentuk, memungkinkan studi terhadap lubang hitam dilakukan dalam laboratorium. Hal tersebut dimungkinkan karena dengan pertumbukan proton-proton, ada suatu saat ketika energi tersekap dalam suatu ruang yang sangat kecil, sedemikian sehingga lubang hitamg yang sangat sangat kecil terbentuk. Tentulah sudah menjadi pemahaman umum bahwa lubang hitam adalah pemakan segalanya, bahkan cahaya pun bisa tersedot ke dalamnya. Jadi, apakah tidak menjadi berbahaya kalau lubang hitam tercipta dalam laboratorium akan menghisap semua materi yang ada di sekitarnya, bahkan menghisap Bumi kita? Tentu tidak!

Menurut Stephen Hawking, bahkan lubang hitam mengalami pemusnahan, sehingga lubang hitam yang sangat sangat kecil tersebut akan lenyap dalam fraksi kecil seper per per sekian detik, sehingga sangat pendek untuk menjadi sebuah bencana, tetapi cukup lama bagi para ilmuan untuk mendapatkan manfaat kelimuan dari informasi yang sesaat tersebut.

Tetapi, bila teori Hawking salah? Di dalam alam semesta ini, banyak sekali ‘mesin penghancur atom’ yang jauh lebih kuat dari LHC, dan tidak pernah dijaga sistem energinya. Bintang-bintang dan galaksi-galaksi adalah ‘mesin penghancur atom’ alamiah, dan hasil proses mesin tersebut, dikenal sebagai berkas kosmis, secara terus menerus menghujani Bumi, dengan tingkat energi yang jauh lebih besar daripada LHC, tetapi Bumi tetap ada, sehingga LHC masih bisa dikatakan lebih jinak dibandingkan semua proses yang terjadi di alam.

Apakah memang itu semua kandidat-kandidat partikel yang dihasilkan oleh LHC? Akankah semua penemuan tersebut bisa menjadikan teori tunggal yang bisa menjelaskan alam semesta? Toh penamaan partikel Tuhan mempunyai pretensi bahwa penemuan tersebut akan mengarahkan pada teori penyatuan agung alam semesta? Secara berseloroh, Stephen Hawking berani bertaruh $100 bahwa LHC tidak akan menghasilkan partikel Tuhan yang belum tentu jelas keberadaannya, dan semuanya harus kembali ke awal. Tentunya jika benar demikian, membutuhkan kerendahan hati untuk mengakui bahwa teori yang dikembangkan pun bisa salah, atau dikarenakan teori yang tidak lengkap, yang pasti menyebabkan seseorang harus mulai lagi dari awal.

Di sisi lain, eksperimen membuka kemungkinan yang lain, bisa saja bukan partikel Higgs, mungkin lubang hitam tidak seperti yang pernah kita bayangkan, tetapi bukan tidak mungkin sesuatu yang tidak kita pikirkan sebelumnya terjadi, dan itu membutuhkan penjelasan yang baru. Lalu apakah penjelasan tersebut bisa menjelaskan segalanya? Dengaan teknologi yang sangat mahal (mencapai US$ 8 milyar dari hasil kongsi 60 negara) dan canggih tentunya, apakah akan bisa membuka rahasia alam semesta? Tidak mudah menjawabnya, karena melihat kenyataan, baru beberapa hari berfungsi saja sudah mengalami gangguan, itu adalah contoh kecil bahwa untuk memahami alam semesta bukanlah pekerjaan yang mudah.

Tidak hanya tantangan teknis, tetapi belajar dari sejarah, sampai dengan abad ke -19, atom dipercaya sebagai komponen paling dasar penyusun materi, dan tidak bisa dipecah-pecah lagi. (Atom berasal dari bahasa Yunani yang artinya ‘tidak terbagi’). Tetapi alam selalu menunjukkan hal-hal yang tidak terbayangkan sebelumnya, J. J. Thomson menemukan elektron, yang artinya, artinya atom masih bisa dibagi lagi menjadi komponen yang lebih kecil. Lebih jauh, Ernest Rutherford menunjukkan bahwa atom tersusun dari adanya ruang-ruang kosong, karena atom tersusun dari elektron-elektron yang ‘mengorbit’ terhadap inti, dan massa atom ditentukan oleh massa inti. Dan terus menerus pemahaman manusia terhadap alam semesta diaduk-aduk, mulai dari teori Einstein yang menyatakan bahwa ruang-waktu tidaklah mutlak. Materi memelengkungkan ruang, ruang mengarahkan bagaimana materi bergerak. Cahaya adalah gelombang sekaligus partikel. Energi dan materi adalah sama, dan bisa berubah satu sama lain. Realitas menjadi sesuatu yang tidak bisa ditentukan secara pasti. Sampai saat ini pun, masih banyak hal-hal di alam yang belum bisa dijawab, kalau tidak, untuk apa ada proyek ambisius seperti LHC ini bukan? Seperti juga perjalanan studi LHC memberikan kita pelajaran: alam semesta tidak akan dengan mudah membuka rahasianya, dan itu hanya bisa dilakukan, hanya jika kita dengan sungguh-sungguh, tekun, tabah dan rendah hati mempelajari fenomena alam.