Nobel Fisika 2008: Simetri Yang Hilang

Tulisan ini telat turun karena masalah teknis blog saya, harusnya 3 pekan yang silam. Tapi, lebih baik daripada tidak, hehehe.

The Royal Swedish Academy of Science telah mengumumkan hadiah Nobel untuk Fisika Selasa kemarin, 7 Oktober 2008. Para fisikawan yang dinyatakan penerima medali paling bergengsi di dunia sains ini adalah tiga orang samurai Jepang, Makoto Kobayashi (High Energy Accelerator Research Organisation, Tsukaba, Jepang), Toshihide Maskawa (Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University, Jepang), dan Yoichiro Nambu (Enrico fermi Institute, University of Chicago, Amerika Serikat). Nambu memperoleh setengah dari total 10 Juta Krona (mata uang Swedia, atau sekitar 1,6 Juta Dolar Amerika Serikat, atau sekitar 13,5 triliun Rupiah), setengah lagi dibagi dua untuk Kobayashi dan Maskawa.

Topik yang menjadi sentral adalah simetri yang dilanggar (the broken symmetry) di dunia subatomik. Penjalasan simetri yang hilang diberikan oleh Nambu (Physics Review 122 dan 124 (1961)) dan bagaimana pelanggaran simetri memprediksi kehadiran tiga famili quark diberikan oleh Kobayashi dan Maskawa (Progress of Theoretical Physics 49 (1973)), sedangkan mekanisme hilangnya simetri tersebut diusulkan oleh Nambu (Physics Review 122 dan 124 (1961)).

Tulisan ini telat turun karena masalah teknis blog saya, harusnya 3 pekan yang silam. Tapi, lebih baik daripada tidak, hehehe.

The Royal Swedish Academy of Science telah mengumumkan hadiah Nobel untuk Fisika Selasa kemarin, 7 Oktober 2008. Para fisikawan yang dinyatakan penerima medali paling bergengsi di dunia sains ini adalah tiga orang samurai Jepang, Makoto Kobayashi (High Energy Accelerator Research Organisation, Tsukaba, Jepang), Toshihide Maskawa (Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University, Jepang), dan Yoichiro Nambu (Enrico fermi Institute, University of Chicago, Amerika Serikat). Numbo memperoleh setengah dari total 10 Juta Krona (mata uang Swedia, atau sekitar 1,6 Juta Dolar Amerika Serikat, atau sekitar 13,5 triliun Rupiah), setengah lagi dibagi dua untuk Kobayashi dan Maskawa.

Topik yang menjadi sentral adalah simetri yang dilanggar (the broken symmetry) di dunia subatomik. Penjalasan simetri yang hilang diberikan oleh Nambu (Physics Review 122 dan 124 (1961)) dan bagaimana pelanggaran simetri memprediksi kehadiran tiga famili quark diberikan oleh Kobayashi dan Maskawa (Progress of Theoretical Physics 49 (1973)), sedangkan mekanisme hilangnya simetri tersebut diusulkan oleh Nambu (Physics Review 122 dan 124 (1961)).

Simetri dalam Fisika

Gambar 1
Gambar 1

Simetri dalam fisika merujuk pada perubahan sifat-sifat fisis sebuah sistem fisik dalam transformasi tertentu. Cermin adalah contoh transformasi yang dapat kita pakai dalam ilustrasi ini. Perhatikan tulisah “febdian.net” pada Gambar 1 kiri, gambar kiri adalah apa yang kita lihat sehari-hari. Semua huruf menjadi “terbalik”. Tapi, ada juga huruf yang tidak terbalik, misalnya huruf C dalam alfabet. Untuk kasus huruf C, kita tidak dapat membedakan mana huruf C di dunia kita dan mana yang di dunia cermin. Huruf C dikatakan simetris terhadap pantulan cermin di bawahnya (tapi akan berbeda jika cermin diletakkan di samping kiri atau kanannya.). Jadi, simetri adalah ketika kita tidak dapat membedakan mana yang asli dan mana yang telah bertransformasi.

Teori dasar fisika partikel memakai tiga prinsip simetri: simetri cermin (parity), simetri muatan (charge), dan simetri waktu (time) — atau disebut simetri P, C, dan T. Pada simetri P, semua kejadian terlihat persis sama apakah kita melihat langsung atau lewat pantlan cermin dan kita tidak dapat melihat adanya perbedaan antara objek sesungguhnya atau objek yang ada di dalam cermin. Simetri C menyatakan bahwa partikel dan antipartikel memiliki semua sifat fisis yang sama kecuali muatannya berlawanan tanda. Sedangkan menurut simetri T sebuah kejadian fisis pada level mikroskopik yang maju terhadap waktu identik dengan jika kejadian tersebut mundur terhadap waktu.

Selama bertahun-tahun para fisikawan meyakini Alam Semesta mematuhi kesimetrisan ini dan menggunakannya untuk menjelaskan fenomena-fenomena yang ada di sekitar kita. Simetri, selain memberikan nilai estetika dalam fisika juga memberikan kemudahan pada perhitungan matematikanya. Misalnya, kesimetrisan terjadi pada hukum kekekalan energi yang mengharuskan tidak ada energi yang hilang sebelum dan sesudah tumbukan antara dua buah partikel. Kesimetrisan juga hadir pada hukum kekekalan muatan listrik yang membangun teori elektromagnetik.  Konsekuensinya, hukum-hukum alam seharusnya juga simetris, hukum-hukum tersebut harus tetap berlaku di setiap titik di Alam Semesta.

Model Baku (the standard model) yang merupakan sintesis dari semua pengetahuan fisika yang kita punya, dibangun berdasarkan prinsip kesimetrisan teori kuantum dan teori relativitas. Para fisikawan meyakini hukum-hukum simetri berlaku baik untuk dunia makro maupun untuk dunia mikro.

Alam Melanggar Kesimetrisan

Krisis mulai terjadi ketika dua orang fisikawan teori, Tsung dao Lee dan chen Ning Yang (keduanya adalah fisikawan Cina-Amerika), pada tahun 1956 memprediksi terjadi pelanggaran simetri P pada interaksi lemah (yaitu interaksi yang terjadi pada proses radioaktif). Beberapa bulan kemudian, eksperimentalis Chien-Shiung Wu (fisikawan Cina-Amerika) membuktikan prediksi Lee-Yang tersebut. Wu mengamati arah gerak elektron hasil peluruhan atom Cobalt-60 dan elektron ternyata memilih bergerak pada satu arah yang sama alih-alih dua arah sesuai prinsip simetri P. Lee dan Yang memperoleh hadiah Nobel pada tahun 1957. (Menjadi perdebatan sampai sekarang kenapa Wu tidak masuk dalam peraih Nobel, beberapa kalangan menduga telah terjadi diskriminasi gender karena Wu adalah seorang perempuan.)

Teori kemudian diperbaiki, bahwa simetri P sendirian mungkin dapat dilanggar, tapi simetri cermin-muatan (CP symmetry) tidak mungkin dilanggar. Namun, pada tahun 1964, James Cronin (University of Chicago, Amerika Serikat) dan Val Fitch (Princeton University, Amerika Serikat) melaporkan eksperimennya bahwa peluruhan partikel Kaon melanggar simetri CP! Sejumlah fraksi kaon ditemukan tidak mematuhi simetri CP dan ini adalah tantangan besar bagi Model Baku yang sejauh ini telah banyak terbukti benar.

Jika kita merujuk ke masa silam, berdasarkan teori Dentuman Besar, telah terjadi pelanggaran simetri besar-besaran pada usia Alam Semesta masih teramat muda, sekitar beberapa menit saja. Pada awalnya, jumlah partikel dan antipartikel sama (simetris) dan tumbukan antara partikel dan antipartikel menghilangkan keduanya dan menghasilkan radiasi. Jika mereka simetri, maka seharusnya Alam Semesta kita hanya berisi radiasi karena setiap partikel bertumbukan dengan antipartikel. Kenyataannya tidak demikian, jumlah partikel sedikit lebih banyak dari pada antipartikel — dan perbedaan satu partikel saja sudah cukup untuk membangun planet, bintang, galaksi dan segala isinya!

Gambar 2 (Diambil dari http://www-visualmedia.fnal.gov/)

Selain dua kasus di atas, masih ada lagi satu misteri yang terkait dengan simetri. Model Baku kita menyatukan semua partikel-partikel penyusun materi, yaitu keluarga lepton dan keluarga quark (lihat Gambar 2), dan empat partikel pembawa tiga gaya fundamental (kecuali gaya gravitasi belum dapat digabungkan ke dalam Model Baku). Partikel-partikel ini disebut partikel elementer. Pertanyaannya, bagaimana tiga gaya tersebut berbeda dan bagaimana setiap partikel memiliki massa yang berbeda? Kenapa foton tidak memiliki massa sementara Z dan W punya, padahal sama-sama partikel pembawa gaya?

Apakah benar Alam Semesta tidak benar-benar simetri? Apakah simteri benar-benar hilang untuk beberapa kasus dan ada untuk kasus yang lain? Jika Model Baku kita benar, maka di manakah Alam menyembunyikan simetrinya?

Solusi Simetri Yang Hilang

Pada tahun 1961, Yoichiro Nambu mengusulkan sebuah mekanisme pelanggaran simetri yang terjadi secara spontan (spontaneous broken symmetry) pada partikel untuk menjawab di mana simetri bersembunyi. Nambu memakai analogi pelanggaran simetri spontan yang terjadi pada fenomena superkonduktiviti, di mana arus listrik mengalir tanpa hambatan sama sekali. Nambu kemudian memakai ide ini untuk kasus fisika partikel.

Gambar 3 (diambil dari artikel kuliah umum Nobel Fisika 2008 www.nobel.se)
Gambar 3 (diambil dari artikel kuliah umum Nobel Fisika 2008 www.nobel.se)

Sederhananya, mekanisme pelanggaran simetri spontan diilustrasikan oleh Gambar 3. Sebuah pensil yang berdiri tegak tepat pada pusat sebuah lingkaran memiliki simetri di mana semua arah adalah sama. Tapi, simetri hilang ketika pensil tersebut jatuh — sekarang hanya ada satu arah saja. Namun dengan demikian, pensil mencapai keadaan paling stabilnya.

Sebuah sistem dapat mencapai keadaan paling stabil jika dia pada keadaan energi paling rendah. Di Alam Semesta, keadaan energi terendah di miliki oleh keadaan vakum. Keadaan vakum dalam kuantum didefinisikan sebagai keadaan di mana dipenuhi oleh “sup partikel” yang muncul begitu saja dan pada saat itu juga hilang karena kehadiran medan kuantum (empat gaya fundamental termasuk dalam deskripsi medan kuantum — semua fenomena fisika terjadi di dalam medan kuantum). Dengan demikian, keadaan vakum tidak berkorespondensi dengan keadaan paling simetri.

Dari ilustrasi pensil tersebut, Nambu menjelaskan bahwa simetri tetap ada tapi tersembunyi dibalik hilangnya simetri secara spontan tersebut. Deskripsi Nambu inilah yang memungkinkan para fisikawan menyatukan gaya elektromagnetik, gaya lemah, dan gaya kuat sebagai sebuah supergaya pada awal penciptaan Alam Semesta ke dalam Model Baku, bersama-sama dengan partikel-partikel elementer. Karena itulah, Nambu kemudian mendapatkan Nobel Fisika tahun ini.

Penjelasan Pelanggaran Simetri

Memakai konsep Nambu, simetri sebenarnya tetap ada namun tersembunyi. Ide yang sama namun mekanisme berbeda diungkapkan oleh periset muda Kobayashi dan Maskawa dari Universitas Tokyo pada tahun 1972. Kobayashi dan Maskawa menemukan jawaban pelanggaran simetri dalam sebuah matrik 3×3, menyempurnakan matriks 1×3 yang terlebih dahulu diperkenalkan oleh Nicola Cabibbo (fisikawan Itali). Matriks ini dikenal sebagai Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrix memegang peranan penting dalam Model Baku. (Sama halnya dengan kasus Wu, menjadi perdebatan yang sengit di kalangan fisikawan kenapa Cabibbo, yang notabene menjadi dasar dari kerja Kobayashi-Maksawa, tidak masuk dalam daftar peraih hadiah Nobel Fisika 2008.)

Menurut Kobayashi dan Maskawa, terdapat sebuah mekanisme di mana quark berubah menjadi antiquarknya dan sebaliknya (misalnya quark u menjadi anti-u). Dengan begitu, partikel Kaon dapat meluruh menajdi Kaon dan Antikaon dan pada saat yang bersamaan melanggar simetri CP. Matrik CKM menghitung probabilitas transisi yang terjadi.  Sekitar tahun 2001, dua eksperimen terpisah, detektor BaBar di Standford (Amerika Serikat) dan detektor Belle di Tsukaba (Jepang), mendeteksi pelanggaran simetri yang diprediksi oleh Kobayashi dan Maksawa.

Lebih jauh lagi, quark dan antiquark dapat berganti identitas di dalam famili yang sama (misalnya quark u menjadi anti-d). Jika ini terjadi, bersamaan dengan pelanggaran simetri CP, maka dibutuhkan 2 famili quark lagi. Prediksi ini kemudian terbukti dengan teramatinya dua famili quark (yang kemudian dimasukkan dalam kelompok generasi ke-III) yaitu quark t dan b (generasi III) berturut-turut pada tahun 1977 dan 1994. Prediksi yang mengagumkan inilah yang mengantarkan duo Kobayashi-Maksawa berbagi separuh hadiah Nobel Fisika tahun 2008.

Begitulah, dua prinsip ini semakin menyempurnakan Model Baku yang telah dikerjakan bertahun-tahun lamanya. Hampir semua permasalahan yang selama ini menjadi batu sandungan Model Baku terjawab oleh satu kata-kunci: “simetri yang hilang”.

Sumber utama: artikel untuk publik kuliah umum Nobel Prize Fisika 2008

Author: febdian RUSYDI

a physicists, a faculty, a blogger.

10 thoughts on “Nobel Fisika 2008: Simetri Yang Hilang”

  1. Berbicara mengenai simetri, saya jadi ingat tentang ketidaksimetrian antara persamaan maxwell dengan eksperimen thd ada tidaknya monopole magnet. Kira2 apa konsekuensinya terhadap teknologi ya jika monopole ternyata memank ada?? Apa yg bisa dimanfaatkan darinya?

  2. Rusaknya simetri dalam persamaan Maxwell memang disebabkan karena belum teramati monopol magnet. Kalau benar simetri adalah sifat sejati, maka persamaan Maxwell sudah memprediksi bahwa magnet pun punya monopol seperti halnya listrik.

    Konsekuensi terhadap teknologi apa ya? Merusak mungkin tidak, karena tanpa ada monopol magnet saja kita sudah dapat menerbangkan satelit ke Mars dan berkomunikasi dua arah dengan si wahana. Tanpa monopol juga kita sudah dapat membuat laboratorium super canggih seperti LHC di CERN.

    Kemungkinan terbesar, menurut saya, ya improvisasi dan breakthru berkelanjutan di bidang teknologi yang berdasarkan elektromagnetik. Dengan hanya bermodal “arus listrik”, kita sudah dapat sejauh ini… bagaimana kiranya kita juga punya “arus magnet”? Harusnya makin banyak teknologi yang dapat kita buat.

    That is my humble opinion.

  3. Oh, ya karena magnet bersifat monopol, garis2 medan magnet selalu membentuk suatu loop tertutup. Yg saya ingin tanyakan, selain dengan cara eksperimen (menggunakan serbuk besi), apakah ada fungsi khusus untuk men-trace garis-garis medan magnet dari sutu magnet tertentu (katakanlah magnet batang)sehingga garis-garis medan magnet bisa digambarkan dengan tepat?

  4. Ada, fungsi medan magnet yang diberikan oleh Biot-Savart,

    $\vec{B} = \frac{\mu_0}{4\, \pi\, \epsilon_0}\: \int{\frac{I\, \mathrm{d}\vec{l} \times \hat{r}}{r^2}}$,

    sudah memberikan bentuk garis-garis magnet yang kita lihat dalam eksperimen. Lebih jauh lagi, garis-garis medan magnet tersebut adalah karakteristik sirkulasi dari geometrik medan magnet, yang secara matematis disimbolkan sebagai

    $\nabla \times \vec{B} = \mu_0\, \vec{j}$,

    dengan $\vec{j}$ adalah kerapatan arus.

  5. ngikut lagi pak yah…
    bumi, matahari, bintang, dan juga benda alam semesta, kesemuanya memiliki medan.. baik medan magnet ataupun medan yang lain…munculnya itu dari mana, dan bagaimana prosesnya sehingga membentuk garis2 gaya yang muncul dan membentuk loop tertutup…apakah karena massa yang massive ataukah karena pengaruh benda lain..ataukah akibat dari postulat Einstein, yang berakibat ruang dan waktu akan melengkung ketika melewati massa masive..serta jarak terdekat dua buah titik tidak selalu berupa garis lurus..

    dalam vakum yang benar2 vakum, jika sebuah benda bermuatan bergerak dengan laju cahaya bagaimanakah arah penggambaran medan magnetik dan medan lstrik yang searah dengan arah pergerakan benda tersebut..mungkinkah laju medan magnetik dan listrik tersebut melebihi laju cahaya atau medan tersebut akan teringgal jauh dibelakang benda seperti halnya pesawat supersonik..dimana suara tertinggal jauh dibelakang pesawat…

    terima kasih…

  6. ketidak adaan monopol magnet dijelaskan secara indah sekali oleh teori relativitas khusus eninstein tentang elektromagnet.
    listrik dan magnet sebenernya adalah hal yg sama dalam dua fenomena yg berbeda.

    ini pemahaman saya yg baru belajar

Leave a Reply