Seratus Institute

Istilah ini diambil dari buku karya Leon M. Lederman (bersama Dick Teresi) yang berjudul The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question pada tahun 1993. Lederman adalah direktur Fermilab dan juga merupakan peraih hadiah Nobel bidang Fisika pada tahun 1988 (tahun di mana salah satu personel tim100 dilahirkan, hahaha … ). Mudah – mudahan jikalau ada waktu nanti tim100 akan mencoba bercerita tentang mbah Leon Lederman ini.

Dalam bukunya Lederman mengatakan “Hari ini … kita memiliki model standar, yang mengurangi semua realitas untuk selusin partikel dan empat gaya fundamental dalam Fisika. … Ini adalah kesederhanaan yang susah payah untuk mendapatkannya [… dan …] sangat akurat. Tetapi juga tidak lengkap dan, pada kenyataannya, tidak konsisten … boson ini sangat penting bagi negara fisika saat ini, sangat penting bagi pemahaman akhir kita tentang struktur materi, namun begitu sulit dipahami, bahwa aku telah memberikan nama panggilan : Partikel Tuhan (God Particle). Mengapa Partikel Tuhan (God Particle)? Dua alasan. Satu, penerbit tidak akan membiarkan kita menyebutnya Partikel Terkutuk (Goddamn Particle), meskipun mungkin judul ini yang lebih tepat, mengingat sifat jahat dan biayanya yang menyebabkannya menjadi Terkutuk. Dan dua, ada hubungan, macam, buku yang lain, yang jauh lebih tua …â€

Pernyataan Lederman ini mengarahkan pikiran para fisikawan untuk melihat betapa indahnya Tuhan menciptakan alam semesta. Dan mengenai biaya sangat benar mahalnya CERN merilis pada Juni 2010 biaya yang dihabiskan dalam pembuatan dan pengoperasian Large Hadron Collider (LHC) berkisar 9 Milliar Euro. Seberapa besarkah 9 Milliar Euro ini? Besar sekali teman – teman. Nilai 9 milliar Euro ini kira – kira 10 kali APBN negara kita Indonesia pada 2015 yang katanya 50% dihabiskan untuk subsidi BBM dan bayar hutang. Jadi kalau benar Presiden kita Joko Widodo bisa menjadi Presiden selama dua periode, biaya dari LHC ini sepertinya cukuplah untuk membiayai jalannya pemerintahannya.

Percobaan untuk menemukan partikel ini telah dilakukan menggunakan Large Hadron Collision (LHC) di CERN, serta di Tevatron, Fermilab. Pada 12 Desember 2011, kolaborasi tim ATLAS di LHC menemukan bahwa massa boson Higgs yang beragam mulai dari 145 sampai 206 GeV/c² ditiadakan dengan tingkat keyakinan 95%. Partikel ini adalah bagian integral dari mekanisme Higgs, bagian dari Model Standar yang menjelaskan bagaimana sebagian besar partikel dasar yang telah diketahui memperoleh massanya. Misalnya, mekanisme Higgs akan menjelaskan mengapa boson W dan Z (yang menjadi perantara interaksi lemah) memiliki massa. Sementara foton (yang menjadi perantara elektromagnetisme) tidak memiliki massa. Higgs boson diperkirakan termasuk dalam kelas partikel boson skalar (boson adalah partikel dengan spin bulat, dan boson skalar memiliki spin 0).

Teori yang tidak membutuhkan Higgs boson juga muncul dan akan dipertimbangkan jika keberadaan Higgs boson ditiadakan. Teori-teori tersebut disebut sebagai model nir-Higgs. Sejumlah teori menyatakan bahwa mekanisme apapun yang mampu menciptakan massa partikel dasar harus tampak dengan energi kurang dari 1,4 TeV.

Pada akhir 2011 sejumlah percobaan berangsur-angsur telah menekankan kisaran massa sekitar 125 GeV/c². Pada tanggal 4 Juli 2012, tim eksperimen CMS dan ATLAS pada Large Hadron Collider (LHC) secara independen mengumumkan bahwa mereka mengkonfirmasi penemuan boson yang belum diketahui sebelumnya dengan massa antara 125-127 GeV/c², yang peri lakunya sejauh ini “konsisten†dengan boson Higgs.

4. Lalu bagaimanakah kestabilan Higgs boson?

kestabilan Higgs boson (gambar dari makalah S. Alekhin, A, Djouadi, S. Moch yang berjudul  The top quark and Higgs boson masses and the stability of the electroweak vacuum)

Gambar di atas menunjukkan bentuk elip 2 dalam bidang (M_H, m_t^pole) yang diperoleh dari pengukuran arus quark top dan massa Higgs pada Tevatron dan LHC saat dihadapkan dengan area Model Standar yang benar-benar stabil, metastabil dan tidak stabil sampai dengan skala Planck. Elip yang besar berdasarkan hasil percobaan sementara dua yang lebih kecil mengilustrasikan harapan (peluang) keakuratan kemungkinan eksperimen selanjutnya.

Metastabil maksudnya adalah situasi yang dicapai saat minimum potensial skalar lebih dalam dari minimum electroweak standar akan tetapi waktu hidupnya lebih besar dari umur alam semesta. Sementara syarat batas diambil dari makalah  Giuseppe Degrassi, Stefano Di Vita, Joan Elias-Miró, José R. Espinosa, Gian F. Giudice, Gino Isidori, Alessandro Strumia, yang berjudul Higgs mass and vacuum stability in the Standard Model at NNLO pada 2012.

5. Kemudian bagaimanakah supersimetri menjelaskan level energi Higgs boson?

Pada tingkat energi tinggi (gambar yang kiri) Higgs boson (anggap seperti bola) berada di tengah, dan hasilnya adalah simetris. Pada tingkat energi yang lebih rendah (gambar yang kanan), secara keseluruhan tetap simetris, tetapi potensial †Mexican hat†menjadikannya dalam efek, “lokal†simetri rusak selama bola harus bergerak dalam arah yang acak.

6. Kemudian bagaimanakah caranya para ilmuwan di CERN memproduksi Higgs boson ini?

Ada empat cara memproduksi Higgs boson. Selanjutnya lihat empat diagram Feynmann berikut ini

1. Penggabungan Gluon (Gluon fusion)

Jika partikel yang bertumbukan adalah hadron (seperti proton atau antiproton pada percobaan di LHC dan Tevatron) kemungkinan besar dua gluon yang mengikat hadron bertumbukan. Cara termudah untuk memproduksi partikel Higgs jika dua gluon ini berkombinasi membentuk loop virtual quark. Karena kopling partikel Higgs boson berbanding lurus dengan massa, maka proses ini menghasilkan partikel yang berat. Dalam prakteknya, cukup menggunakan kontribusi top dan bottom quark (quark yang paling berat). Proses ini merupakan yang paling  dominan kontribusinya pada percobaan di LHC dan Tevatron (kira – kira 10 kali dari proses yang lain).

2. Higgs Strahlung

Jika sebuah partikel fermion bertumbukan dengan sebuah antifermion (contohnya sebuah quark dengan sebuah antiquark atau sebuah electron dengan positron) keduanya dapat bersatu membentuk sebuah W atau Z boson virtual yang membawa sejumlah energi yang dapat memmancarkan Higgs boson. Proses ini merupakan yang dominan dalam percobaan di LEP (yang mana sebuah elektron dan sebuah positron bertumbukan membentuk Z boson virtual) dan merupakan kontribusi kedua terbesar produksi Higgs pada Tevatron. Pada percobaan di LHC proses ini merupakan terbesar ketiga karena LHC menggunakan tumbukan proton dengan antiproton membuat tumbukan quark dengan antiquark kurang dibanding pada percobaan di Tevatron. Juga dikenal dengan associated production (produksi yang terkait).

3. Penggabungan boson lemah (Weak boson fusion)

Kemungkinan yang lain terjadi saat dua (anti-)fermion bertumbukan kemudian mengeluarkan W atau Z boson virtual yang kemudian memancarkan Higgs boson. Tumbukan fermion tidak selalu melibatkan jenis yang sama. Sebagai contoh, sebuah up quark yang bertumbukan dengan anti-down quark. Proses ini merupakan yang kedua terpenting pada produksi partikel Higgs di LHC dan LEP.

4. Penggabungan Top quark (Top fusion)

Proses yang terakhir biasanya dianggap yang paling akhir kemungkinannya (dengan perbandingan dua kali lipat). Proses ini melibatkan dua gluon yang bertumbukan, masing – masing meluruh menjadi sepasang quark-antiquark berat. Sebuah quark dan antiquark dari masing – masing pasangan kemudian bergabung membentuk partikel Higgs.

7. Apakah Higgs boson juga meluruh?

Pada mekanika kuantum memprediksi bahwa, sangatlah mungkin untuk sebuah partikel meluruh menjadi partikel yang lebih ringan. Begitu pula dengan Higgs boson. Peluruhan ini bergantung pada massanya (seperti gambar di atas), kekuatan interaksi dan lainnya. Kebanyakan beberapa faktor ini adalah tetap menurut Model Standar, kecuali massa Higgs boson itu sendiri (lihat gambar di atas). Untuk Higgs boson yang bermassa 126 GeV/c² Model Standar memprediksi waktu hidupnya hanya 1,6 x 10^-22 s.

8. Pada percobaan produksi Higgs boson di CERN, proses yang bagaimanakah yang terjadi?

Pada 31 Juli 2012 percobaan di CERN dalam CMS dan ATLAS paling dominan menggunakan dua gluon dari masing – masing proton. Selanjutnya bergabung dalam top quark loop, yang mana berpasangan secara kuat dalam medan Higgs untuk memproduksi sebuah Higgs boson. Produksi Higgs boson ini menggunakan 2 jenis interaksi (dikenal kanal, channel)

Gambar ini dikenal dengan kanal difoton. Higgs boson meluruh menjadi dua sinar gamma (foton) melalui interaksi virtual W boson loop atau top quark loop.

Gambar ini dikenal dengan 4 Lepton kanal emas. Higgs boson memancarkan 2 Z boson, yang kemudian meluruh menjadi dua lepton (elektron dan muon)

9. Apakah medan Higgs itu?

Dalam Model Standar, medan Higgs adalah empat komponen medan skalar yang membentuk doublet kompleks simetri isospin lemah SU(2)

medan Higgs

Yang mana medan memiliki muatan + ½ di bawah simetri hipermuatan lemah U(1). Ingat secara umum muatan listrik adalah Q, isospin lemah I₃, dan hipermuatan lemah Y dengan hubungan sebagai berikut :

Q = I₃ + Y

Bagian Higgs dalam Lagrangian adalah

Lagrangian Higgs

dengan W^a dan B adalah gauge boson simetri SU(2) dan U(1), g dan g’ masing – masing adalah konstanta kopling, ^a = ½ ^a  (yang mana ^a adalah matriks Pauli) merupakan seperangkat generator lengkap simetri SU(2), dan > 0 serta µ²  , sehingga keadaan dasar memecah simetri SU(2) lihat gambar berikut ini.

Keadaan dasar medan Higgs (dasar dari potensial) terdegenerasi menjadi beberapa keadaan dasar yang berbeda sesuai dengan transformasi gauge SU(2). Dalam keadaan dasar ¹ = ² = ³ = 0. Nilai ekspektasi ⁰ dalam keadaan dasar (vacuum expectation value ,vev) adalah <⁰> =  , yang mana  = ||/. Nilai parameter ini terukur 246 GeV/c².

10. Sejauh ini bagaimanakah kekonsistenan sifat Higgs boson dalam percobaan dengan teori Peter Higgs?

1. Spin 0 (nol) pada 14 Maret 2013 sifat ini telah terkonfirmasi
2. Paritas + (positif) pada 14 Maret 2013 CERN juga telah mengkonfirmasi sifat ini
3. Kanal peluruhan, Peluruhan menjadi gamma-gamma, top-top, W-W dan Z-Z telah teramati sementara bottom-bottom masih belum. Pada ATLAS peluruhan H à g g lebih besar dari pada peluruhan 4 lepton
4. Kopling massa, Pada tingkat kepercayaan 95% nilai c_V adalah 15% dari nilai Model Standar (c_V = 1)
5. Energi tinggi. Untuk sifat ini masih perlu didalami lagi dalam percobaan LHC lebih lanjut. Pada 2015 direncanakan LHC akan ditingkatkan energinya mencapai 14 TeV (dua kali dari sebelumnya)

Dengan penemuan Higgs boson ini merevisi Model Standar (SM) fisika partikel yang sebelumnya seperti ini

Menjadi ini

11. Lalu apakah kaitannya dengan penemuan Higgs boson ini?

Higgs boson dihipotesa sebagai asal muasal partikel yang ada di alam semesta. Dengan penemuan Higgs boson ini membuka pembahasan lebih lanjut tentang asal muasal alam semesta dan kebenaran teori Big Bang.
Pada 13,7 miliar tahun lalu, sesaat setelah dentuman terjadi (Big Bang), semesta yang panas terisi oleh hamparan partikel. Tanpa kehadiran Higgs boson, maka quarks tidak akan terkombinasi membentuk proton atau neutron. Kemudian, proton dan neutron pun tak akan terkombinasi dengan elektron membentuk atom. Tanpa atom, maka molekul dan materi pun tidak akan terbentuk. Atau dengan kata lain: tak ada galaksi, tak ada bintang, tak ada planet, tak ada kehidupan di muka Bumi. Jadi nobel Fisika berikutnya mungkin adalah membuktikan awal mula alam semesta. Karena waktu hidup Higgs boson ini berkisar antara 1,6 x 10^-22 s maka masih perlu dicari (ditemukan) yang sesuai dengan waktu Plank pada teori Big Bag (yang berkisar 10^-43 s)

Kesimpulan

1. Partikel Higgs boson menjadi dasar bagi partikel lain. Karena partikel Higgs boson menjadi kunci penjelasan bagaimana materi memiliki massa. Beberapa fisikawan menyebutnya dengan istilah God Particle
2. Partikel Higgs boson memiliki sifat berspin 0 (nol), paritas + (positif), meluruh ke partikel lain, massa berkisar 125 GeV/c², dan berenergi tinggi
3. Percobaan lebih lanjut dan studi lebih lanjut untuk memastikan kembali kekonsistenan massa partikel Higgs boson, keakuratan kestabilannya dalam Model Standar (SM) dan untuk mengungkap asal mula alam semesta.

Semoga tulisan ini bermanfaat dan memberikan hikmah bagi kita semua. Aaammmiiinnn ya robbal alamin

CATATAN : Artikel ini sudah pernah dimuat di https://rosyidadrianto.wordpress.com/2014/08/31/peter-higgs-peraih-nobel-fisika-2013-dan-higgs-boson-god-particle/