Zarah Asas
Segala yang kamu lihat, sentuh dan segala yang membentuk dirimu — setiap batu, setiap pokok, setiap fikiran — dibina daripada bahan binaan yang sangat kecil. Bahan binaan ini dipanggil zarah asas. Ia begitu kecil sehingga dalam segelas air sahaja terdapat lebih banyak zarah berbanding bilangan butiran pasir di seluruh Bumi. Di halaman ini kamu akan mengetahui zarah apa sahaja yang wujud, bagaimana ia saling berkait, dan mengapa ia menjadi asas kepada fizik moden.
Tiga keluarga — satu dunia
Fizik pada masa kini mengenali tepat 17 zarah asas yang berbeza — iaitu zarah yang, setakat pengetahuan semasa, tidak dapat dipecahkan lagi kepada bahagian yang lebih kecil. Zarah ini dapat dibahagikan kepada tiga kumpulan besar: Quark membina jirim, lepton adalah zarah jirim yang berdiri sendiri, dan boson menghantar daya.
Jadual zarah
Sama seperti jadual berkala unsur dalam kimia, fizik turut mempunyai gambaran keseluruhan semua zarah asas yang diketahui — Model Piawai. Ia adalah salah satu teori paling tepat dan paling berjaya yang pernah dihasilkan oleh sains. Zarah-zarah ini disusun dalam tiga generasi: setiap generasi yang lebih tinggi lebih berat dan lebih singkat jangka hayatnya berbanding generasi sebelumnya.
| Generasi I | Generasi II | Generasi III | Boson | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Quark ↑ | u Up +⅔ 2,3 MeV | c Charm +⅔ 1,27 GeV | t Top +⅔ 173 GeV | γ Foton 0 0 | g Gluon 0 0 | |||
| Quark ↓ | d Down −⅓ 4,8 MeV | s Strange −⅓ 95 MeV | b Bottom −⅓ 4,18 GeV | |||||
| Lepton | e⁻ Elektron −1 0,511 MeV | μ Muon −1 105,7 MeV | τ Tau −1 1,777 GeV | W Boson-W ±1 80,4 GeV | H Higgs 0 125 GeV | |||
| Neutrino | νₑ Neutrino-e 0 ≈ 0 | νμ Neutrino-μ 0 ≈ 0 | ντ Neutrino-τ 0 ≈ 0 | Z Boson-Z 0 91,2 GeV | ||||
Quark — teras terdalam jirim
Quark adalah bahan binaan jirim yang paling kecil yang diketahui — tetapi ia tidak pernah muncul bersendirian. Ia sentiasa wujud dalam kumpulan terikat: dua atau tiga Quark bersama-sama membentuk apa yang dipanggil hadron. Yang paling terkenal ialah proton dan neutron, iaitu bahan binaan semua nukleus atom. Sebuah proton terdiri daripada dua Quark Up dan satu Quark Down, manakala sebuah neutron terdiri daripada satu Quark Up dan dua Quark Down.
Terdapat enam jenis Quark yang berbeza, yang oleh ahli fizik dipanggil "flavor": Up, Down, Charm, Strange, Top dan Bottom. Nama-nama ini hanyalah label semata-mata — Quark sudah tentu tidak mempunyai rasa. Namun yang dimilikinya ialah satu sifat istimewa bernama cas warna, yang menyalurkan Daya Nuklear Kuat. Setiap Quark membawa salah satu daripada tiga "warna" — merah, hijau atau biru. Apabila digabungkan sehingga menjadi "tanpa warna", terhasillah satu zarah yang stabil.
Quark generasi kedua dan ketiga — Charm/Strange dan Top/Bottom — jauh lebih berat berbanding generasi pertama. Quark Top beratnya setanding dengan sebiji atom emas sepenuhnya, walaupun ia adalah zarah asas yang bersaiz titik. Quark-Quark berat ini hanya terhasil dalam perlanggaran bertenaga sangat tinggi di pemecut zarah, dan reput hampir serta-merta kepada zarah generasi pertama yang lebih ringan.
Lepton — roh yang bebas
Lepton adalah zarah jirim yang, berbeza daripada Quark, tidak mengenali kurungan — ia boleh wujud secara bebas di alam semula jadi. Lepton yang paling dikenali ialah elektron, yang membentuk petala semua atom dan bertanggungjawab bagi ikatan kimia. Tanpa elektron, tidak akan ada molekul, tiada kimia, tiada kehidupan. Elektron telah dikenali sejak lebih seratus tahun dan merupakan antara zarah asas pertama yang pernah ditemui oleh sains.
Selain elektron, terdapat dua lagi Lepton bercas: Muon (μ) dan Tau (τ). Kelakuannya sama seperti elektron, tetapi jauh lebih berat: Muon kira-kira 207 kali lebih berat, manakala Tau pula kira-kira 3.477 kali lebih berat. Mengapa alam semula jadi mencipta salinan elektron yang lebih berat ini masih menjadi salah satu misteri besar fizik hingga kini. Kedua-dua zarah ini tidak stabil dan reput dalam masa yang amat singkat.
Tiga Neutrino adalah zarah yang amat menarik: tiada cas elektrik, tiada cas warna, dan jisimnya begitu kecil sehingga ahli fizik selama berdekad-dekad menyangka ia langsung tidak mempunyai jisim. Saat demi saat, berbilion Neutrino melintasi tubuh badan kamu — daripada matahari atau supernova yang jauh — tanpa meninggalkan sebarang kesan sekalipun. Ia adalah zarah paling sukar dikesan yang kita ketahui.
Boson — pembawa daya
Selain zarah jirim, terdapat satu lagi kelas zarah: zarah daya, iaitu Boson. Ia adalah perantara antara zarah jirim — pembawa yang menyalurkan daya daripada satu zarah kepada zarah lain. Foton ialah Boson bagi Daya Elektromagnet: setiap kali cahaya memancar, magnet menarik, atau kilat menyambar, Foton pasti terlibat. Foton tidak berjisim dan sentiasa bergerak pada kelajuan cahaya.
Gluon menyalurkan Daya Nuklear Kuat — daya yang mengikat Quark bersama-sama di dalam proton dan neutron. Namanya berasal daripada perkataan Inggeris "glue" (gam). Daya ini adalah yang paling kuat antara empat daya asas pada jarak dekat — cukup kuat untuk mengatasi tolakan antara proton yang bercas positif di dalam nukleus atom. Tanpa Gluon, tiada nukleus atom yang stabil akan wujud.
Boson-W dan Boson-Z menyalurkan Daya Nuklear Lemah, yang bertanggungjawab bagi reputan radioaktif. Higgs pula memainkan peranan istimewa: ia adalah kuantum bagi medan Higgs, yang memberikan jisim kepada zarah-zarah lain. Penemuannya pada tahun 2012 di CERN, Geneva merupakan satu kemenangan bersejarah — selepas pencarian selama berdekad-dekad. Ia adalah satu-satunya zarah asas Spin-0 yang diketahui.
Fermion dan Boson — dua dunia
Kesemua 17 zarah asas boleh dibahagikan mengikut spinnya kepada dua kategori yang berbeza secara asasnya. Fermion membawa spin separuh integer (½) — termasuk semua Quark dan Lepton. Ia mematuhi Prinsip Pauli: dua Fermion tidak boleh menduduki keadaan kuantum yang sama pada masa yang sama. Inilah sebabnya atom stabil — elektron tidak bertindih semuanya pada aras tenaga paling rendah, sebaliknya menduduki orbital yang berbeza, yang seterusnya memungkinkan kepelbagaian unsur kimia.
Boson pula mempunyai spin integer (0, 1) dan tidak tertakluk kepada Prinsip Pauli. Sebilangan besar Boson boleh berada dalam keadaan yang sama secara serentak — inilah asas bagi laser (banyak Foton dalam keadaan yang sama), kekonduksian super, dan Kondensat Bose-Einstein, salah satu keadaan jirim paling eksotik yang wujud. Perbezaan ini terhasil terus daripada gabungan Teori Relativiti dan Mekanik Kuantum — ia bukan satu skema sewenang-wenangnya, tetapi satu keperluan matematik yang mendalam.
Antijirim — bayangan cermin
Setiap zarah asas mempunyai zarah anti dengan cas yang bertentangan, tetapi jisim yang sama. Zarah anti bagi elektron ialah positron, manakala zarah anti bagi proton ialah antiproton. Semasa Big Bang, jirim dan antijirim terhasil dalam jumlah yang hampir sama — namun alam semesta kini terdiri hampir sepenuhnya daripada jirim biasa. Mengapa ketidakseimbangan minimum ini wujud, yang menghalang pemusnahan bersama secara total, merupakan salah satu soalan paling mendalam yang masih terbuka dalam fizik.
Apabila jirim bertembung dengan antijirim, kedua-duanya saling memusnahkan sepenuhnya — seluruh jisimnya bertukar menjadi tenaga tulen (E = mc²). Proses ini dipanggil annihilasi. Dalam bidang perubatan, kesan ini telah digunakan: dalam Tomografi Pancaran Positron (PET), positron digunakan dan akan mengalami annihilasi dengan elektron di dalam badan, menghasilkan sinar gama yang memberikan imej 3D yang tepat bagi metabolisme.
Tiga generasi — mengapa?
Zarah-zarah dalam Model Piawai disusun dalam tiga generasi. Generasi pertama — elektron, neutrino-elektron, Quark Up dan Quark Down — membentuk jirim harian yang stabil. Semua atom di alam semesta terdiri daripada empat zarah ini. Generasi kedua dan ketiga lebih berat dan tidak stabil: ia terhasil di pemecut zarah atau melalui sinaran kosmik, dan reput dalam masa yang amat singkat kepada zarah generasi pertama yang lebih ringan.
Mengapa alam semula jadi memilih struktur tiga lapis yang tepat ini, tiada siapa yang tahu. Secara teori, boleh sahaja terdapat empat atau lima generasi. Namun pengukuran tepat di CERN telah menunjukkan bahawa hanya terdapat tepat tiga jenis Neutrino ringan — dan ini mengehadkan bilangan generasi lengkap kepada tiga sahaja. Fakta ini tertanam kukuh dalam Model Piawai, tetapi masih belum benar-benar dijelaskan hingga kini. Ini adalah salah satu daripada banyak petanda bahawa Model Piawai, walaupun berjaya, masih belum menjadi kata muktamad.
Adakah ini benar-benar bahan binaan paling kecil?
Perkataan "asas" bermaksud: tidak dapat dipecahkan lagi. Menurut taraf sains semasa, 17 zarah dalam Model Piawai dianggap bersaiz titik — ia tiada saiz yang dapat diukur. Namun sejarah fizik menunjukkan bahawa zarah yang pada mulanya kelihatan asas sering kali didapati sebenarnya tersusun daripada bahagian yang lebih kecil: atom pernah dianggap tidak dapat dibahagikan, kemudian ditemui elektron dan nukleus atom, seterusnya proton dan neutron, kemudian Quark. Ramai ahli fizik menduga bahawa mungkin masih ada satu lapisan yang lebih dalam lagi.
Model Piawai adalah cemerlang — namun masih tidak lengkap. Ia tidak menjelaskan graviti pada aras kuantum, tidak memberi sebarang penerangan tentang Jirim Gelap (kira-kira 27% daripada alam semesta), dan tidak menjelaskan mengapa tepat tiga generasi zarah wujud. Pencarian bagi satu teori yang lebih menyeluruh merupakan projek besar fizik abad ke-21.