Higgs Boson Explained

Tanggal 4 Juli 2012 adalah hari bersejarah bagi para fisikawan dan physics enthusiast di seluruh dunia. Pada tanggal tersebut, CERN (organisasi penelitian nuklir Eropa) mengumumkan bahwa mereka telah menemukan sebuah partikel baru melalui particle accelerator raksasa yang mereka miliki: Large Hadron Collider atau biasa disingkat sebagai LHC. Partikel tersebut dinyatakan sebagai Higgs boson yang telah dicari-cari fisikawan selama puluhan tahun. Tantangan terbesar dalam menemukan partikel tersebut—besarnya energi yang dibutuhkan untuk “mengeksitasi” keberadaannya—berhasil ditaklukan oleh LHC, dan karenanya sekarang kita memiliki bukti kuat atas keberadaan “The God Particle” ini. Memangnya Higgs boson itu apa sih? Terus kok bisa sampai dijuluki “The God Particle”? Dalam artikel ini, saya akan membahas lebih jauh mengenai partikel fenomenal tersebut.


Medan Higgs

Untuk dapat memahami apa itu Higgs boson, kita harus mengerti dulu tentang Higgs field atau medan Higgs. Sebelum tahun 1964, fisikawan tidak mengerti tentang asal-usul massa berbagai jenis partikel. Dari mana elektron mendapatkan massa? Mengapa beberapa jenis partikel memiliki massa yang besar, sementara sebagian lainnya bermassa kecil atau bahkan tidak sama sekali? Pada tahun 1964, sebuah gagasan teoritis dari François Englert, Peter Higgs, dan beberapa fisikawan lainnya muncul untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut. Gagasan tersebut adalah adanya sebuah medan gaya yang dapat “memberikan” massa kepada partikel-partikel elementer. Medan gaya tersebut dinamakan medan Higgs.

Memangnya massa itu apa sih? Massa adalah ukuran sifat inersia suatu benda. Semakin besar massa suatu benda, semakin sulit untuk mengubah kondisi pergerakannya. Sebagai contoh, gajah memiliki massa yang lebih besar daripada kelereng, sehingga lebih sulit untuk mendorong seekor gajah daripada sebuah kelereng.

Partikel mendapatkan massa akibat adanya mekanisme Higgs yang mendeskripsikan bagaimana partikel berinteraksi dengan medan Higgs. Secara sederhana, mekanisme Higgs menunjukkan bahwa semakin besar interaksi partikel dengan medan Higgs, semakin besar massanya. Ada juga partikel yang tidak berinteraksi sama sekali sehingga tidak bermassa, seperti foton dan gluon. Medan Higgs tidak terlihat tetapi diyakini mengisi seluruh ruang di alam semesta. Bahkan ruang di sekitarmu sekarang juga penuh dengan medan ini.

Sebagai analogi, bayangkan kamu memasukkan ikan ke dalam air kolam. Bentuk anatomi ikan yang memanjang membuat molekul air tidak banyak berinteraksi dengan tubuhnya, sehingga ia mengalami sedikit resistansi dan dapat bergerak dengan mudah. Lain halnya jika kamu yang berusaha untuk berlari dalam air kolam; interaksi molekul air dengan kakimu cukup signifikan untuk menghambat pergerakanmu. Oleh karena itu, pada kasus ini kamu dapat dianggap memiliki inersia yang lebih besar dari ikan, yang berarti memiliki massa yang lebih besar. Pada analogi tersebut, air kolam berperan sebagai medan Higgs sementara kamu dan ikan berperan sebagai partikel. Satu hal yang mesti jadi catatan adalah, berbeda dengan analogi di atas, partikel tidak perlu bergerak untuk berinteraksi dengan medan Higgs.


Higgs Boson

Dalam Standard Model, partikel penyusun alam semesta diklasifikasikan menjadi dua penyusun utama: fermion dan boson. Fermion adalah partikel yang menyusun materi, sementara boson adalah partikel perantara gaya. Gaya dapat mempengaruhi berbagai objek dalam ruang karena keberadaan medan gaya; gaya listrik ada karena keberadaan medan listrik, gaya gravitasi ada karena keberadaan medan gravitasi, dan seterusnya. Bahkan, menurut quantum field theory, semua partikel hanyalah manifestasi dari medan yang tereksitasi. Jadi, jika medan Higgs benar-benar ada, seharusnya kita dapat mendeteksi bentuk eksitasinya sebagai partikel boson, yaitu Higgs boson. Menggunakan analogi sebelumnya, Higgs boson bagaikan cipratan air yang terbentuk sesaat setelah kamu memberikan energi tambahan pada air kolam dengan melemparkan batu ke atasnya. Singkatnya—karena Higgs boson adalah hasil eksitasi medan Higgs—menemukan keberadaan Higgs boson artinya mengonfirmasi keberadaan medan Higgs. Dengan demikian, kita bisa memahami asal-usul massa partikel-partikel fundamental yang telah kita ketahui di alam semesta.


Bagaimana cara mengetahui keberadaan Higgs Boson?

Para peneliti di CERN membangun sebuah cincin superkonduktor raksasa untuk menguji gagasan medan Higgs ini. Di dalam cincin tersebut, mereka mempercepat proton hingga hampir mencapai kecepatan cahaya, lalu menabrakkannya satu sama lain. Berdasarkan Standard Model, kita tahu bahwa proton terdiri atas tiga quark yang diikat oleh interaksi nuklir kuat (strong interaction). Interaksi tersebut menyimpan energi potensial yang besar untuk mengikat quark supaya tidak lepas dari proton. Selain itu, terdapat pula energi kinetik quark yang terus menerus bergerak dalam ikatan medan interaksi kuat. Saat proton-proton tersebut ditumbukkan satu sama lain, energi dalam nukleus dapat “lepas” bersamaan dengan energi kinetik proton dan mengeksitasi berbagai jenis medan dan menghasilkan macam-macam partikel—salah satunya partikel Higgs boson. Namun, partikel-partikel ini tidak stabil dan meluruh menjadi jenis partikel lain yang lebih stabil; hasil peluruhan inilah yang dianalisis oleh para fisikawan CERN. Peristiwa tumbukan proton ini analog dengan menjatuhkan batu ke dalam air seperti yang telah dijelaskan sebelumnya.


Jadi, apakah massa kita dan benda-benda lainnya berasal dari hasil interaksi dengan medan Higgs?

Hmm… sayangnya jawabannya adalah tidak. Meskipun benar bahwa quark dan elektron mendapatkan massa dari interaksi mereka dengan medan Higgs, itu bukanlah alasan adanya massa pada sebagian besar benda-benda di sekitar kita. Benda-benda tersusun atas atom, dan setiap atom memiliki tiga partikel penyusun: proton, neutron dan elektron. Massa satu elektron sekitar 10,000 kali lebih kecil dari proton atau neutron. Karena itu, kontribusi massa elektron terhadap massa atom dapat diabaikan. Kita juga tahu bahwa proton dan neutron terbentuk dari tiga buah quark. Namun, ternyata gabungan massa ketiga quark tersebut hanya menyumbang 1-2% massa nukleon (istilah untuk proton dan neutron). Lalu, darimana asalnya 98-99% massanya? Sebagian besar massanya ternyata datang dari energi potensial gaya nuklir kuat dan energi kinetik quark dalam nukleus. Perspektif sebelumnya juga pernah membahas mengenai persamaan tersohor Albert Einstein—E = mc²—yang berarti energi dan massa adalah ekuivalen.

Kalau begitu, apa pentingnya penemuan Higgs boson? Eits, bukan berarti penemuan ini tidak penting. Penemuan ini berhasil membuktikan keberadaan medan Higgs. Nah, medan Higgs ini yang sebenarnya penting. Jika medan Higgs tidak ada, maka quark dan elektron tidak mempunyai massa, yang artinya quark tidak pernah terikat satu sama lain untuk membentuk nukleon. Elektron juga tidak akan terikat pada nukleon untuk membentuk atom. Jika atom tidak terbentuk, bintang tidak mungkin terbentuk sehingga tidak ada planet ataupun makhluk hidup seperti kita.


Higgs Boson telah ditemukan. Lalu sekarang apa?

Higgs boson memang telah ditemukan. Tetapi apakah partikel tersebut adalah Higgs boson yang diprediksikan oleh Standard Model? Anehnya, para fisikawan mengharapkan jawaban “tidak” untuk pertanyaan tersebut. Meskipun Standard Model adalah teori yang paling sukses mendeskripsikan bagaimana alam bekerja, teori tersebut belumlah lengkap. Dari empat interaksi fundamental alam semesta, Standard Model hanya dapat menjelaskan tiga: interaksi kuat, interaksi lemah, dan elektromagnetisme. Tersisa satu bagian puzzle lagi untuk membuat teori ini menjadi lengkap: gravitasi. Fisikawan kalau mengharapkan data penelitian lebih lanjut mengenai sifat-sifat partikel Higgs boson akan menjadi petunjuk untuk menggabungkan bagian puzzle terakhir. Selain itu, terdapat pula misteri-misteri lain yang dapat dipecahkan dengan menganalisis sifat-sifat medan Higgs, seperti dark matter, dark energy, teori inflasi, supersymmetry dan lain sebagainya. Karena itu, CERN akan meluncurkan lebih banyak lagi tumbukan, meningkatkan besarnya energi yang digunakan, serta menghasilkan lebih banyak Higgs boson untuk meneliti lebih jauh mengenai sifat-sifat fundamental medan Higgs.


The God Particle?

Proses pencarian dan penemuan Higgs boson memang penuh kontroversi. sampai-sampai sebagian pers menyebut partikel ini sebagai ‘The God Particle’. Julukan ini awalnya bukan berasal dari Peter Higgs sendiri, melainkan dari fisikawan lain bernama Leon Lederman dalam salah satu buku sains populer yang ia tulis. Lederman sebetulnya hendak menjuluki partikel tersebut sebagai ‘The Goddamn Particle’ karena sifatnya yang sentral pada pemahaman kita mengenai alam semesta, namun amat sulit ditemukan. Sayangnya, editor buku Lederman menghapus kata ‘damn’ dan julukan ‘The God Particle’ pun menjadi populer di kalangan orang-orang awam. Fisikawan tidak menyukai julukan tersebut karena sebenarnya Higgs boson tidak memiliki hubungan apapun dengan Tuhan. Penemuan Higgs boson memang membuat kita lebih paham mengenai asal-usul massa. Namun Higgs boson tetaplah partikel yang tak lebih dari elektron, quark, positron, ataupun partikel lainnya.


Penutup

Large Hadron Collider (LHC) adalah particle accelerator terbesar dan terkuat yang pernah dibangun oleh manusia sepanjang sejarah. Saking besar dan kompleksnya, mesin raksasa tersebut membutuhkan waktu 24 tahun (1984-2008) untuk dapat selesai dikonstruksi. Pembangunan LHC melibatkan lebih dari 3000 ilmuwan dan engineer dari berbagai belahan dunia dengan tujuan untuk lebih memahami hukum dasar alam semesta. Hal ini menjadi pertanda baik dan pelajaran bagi kita semua. Sebagaimana yang dituturkan Nima Arkani Hamed, seorang fisikawan teori dari Princeton:

To get 3000 people to work on experiment together whose goal is to understand what’s going on in the distance of thousand times smaller than the proton… this is a really extraordinary testament to some of the highest ideals we can have as human being.

Penemuan Higgs boson bukanlah akhir perjalanan sains yang telah ditempuh umat manusia sejak ribuan tahun lalu. Justru ini adalah awal fase baru dalam sains. Penemuan ini menjawab banyak misteri alam semesta sekaligus membuka pintu-pintu baru untuk berbagai misteri yang belum terpecahkan. Penulis juga berharap penemuan Higgs boson dapat menjadi pelajaran bagi kita untuk mengesampingkan perbedaan-perbedaan—seperti yang dilakukan para ilmuwan CERN—dan bekerja sama untuk sesuatu yang lebih penting: memahami alam semesta, memajukan teknologi, dan menciptakan kehidupan yang lebih baik.

Taufiq Murtadho
KAIST
@ Perspektif
Perspektif’s Contributor


Reference and background reading:

https://home.cern/about/updates/2013/05/basics-higgs-boson
Artikel Perspektif 22 Januari 2016. Introduction to The Standard Model by Cosmos
Artikel Perspektif 3 Juli 2016. Simple Physics Series: Arti Rumus E=mc^2 Part One by Silvershare
Artikel Perspektif 4 Juli 2016. Simple Physics Series: Arti Rumus E=mc^2 Part Two by Silvershare
https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/the-higgs-particle/the-higgs-faq-2-0/
http://www.forbes.com/sites/forbesleadershipforum/2013/10/09/the-higgs-boson-wins-the-nobel-why-we-call-it-the-god-particle/#61fa5353650d
Kutipan Nima Arkani Ahmed diambil dari film dokumenter Particle Fever (2013)

Advertisements

One thought on “Higgs Boson Explained

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s