Fisika Partikel

Fisika partikel adalah cabang fisika yang mempelajari konstituen dasar materi dan radiasi, serta interaksinya. Ini juga disebut fisika energi tinggi karena banyak partikel elementer tidak ada di alam dan hanya dapat dideteksi pada tumbukan energi tinggi antara partikel yang lebih besar dalam akselerator partikel.

Contoh Fisika Partikel

partikel atom : molekul atom ion ( kation anion )
partikel subatomik : inti atom
fermion :
- quark : upquark, downquark, charmquark, Strangequark, topquark, bottomquark
- lepton : electron positronneutrino (electron neutrino muon neutrino tau neutrino ) antineutrino (electron antineutrino muon antineutrinotau antineutrino) muon antimuon tau antitau
boson : foton, gluon, W boson, Z boson, higgs boson
hadron :
- baryon : nukleon ( proton antiproton neutron antineutron)hiperon _ _ _
- meson : kaon · pion · J/ψ-meson
- lainnya: tetraquark · pentaquark
hipotesis : superpartner, graviton Majorana partikel neutralino oh – my – God partikel planck partikel preon tachyon

1. Partikel atom

Atom (Yunani Kuno: ἄτομος, atomos ‚ tak terpisahkan) adalah partikel terkecil yang dapat dibagi dengan metode kimia. Sebuah atom sangat kecil; ada lebih banyak atom dalam segelas air daripada segelas air di semua lautan di bumi. Atom adalah blok bangunan terkecil dari setiap unsur kimia.

Semua atom dari unsur tertentu memiliki nomor atom yang sama: mengandung jumlah proton yang sama. Atom netral memiliki jumlah elektron dan proton yang sama. Ion adalah atom bermuatan yang memiliki kekurangan atau kelebihan elektron. Atom dari unsur yang sama dapat berbeda massa atomnya karena jumlah neutron dalam inti atom dapat berbeda-beda. Atom-atom semacam itu adalah isotop satu sama lain. Atom dari unsur yang berbeda pada dasarnya berbeda satu sama lain. Sifat material dari zat dan material, dan perilakunya dalam reaksi kimia, ditentukan oleh sifat dan keterkaitan atom-atom yang menyusun materi.

Molekul

Molekul atau molekul adalah bagian terkecil dari molekul zat yang masih memiliki sifat kimia dari zat tersebut. Jika sebuah molekul dipecah menjadi partikel yang lebih kecil lagi, sifat kimianya akan berubah.

Molekul terdiri dari atom-atom yang dihubungkan bersama dalam susunan ikatan kimia yang tetap. Bahan kimia ditentukan oleh atom-atom yang membentuk molekul dan ikatan kimia yang ada di antara atom-atom.

Massa molekul, atau massa molar, sama dengan massa gabungan atom-atom yang membentuk molekul. Massa molekul dinyatakan dalam satuan massa atom (diwakili sebagai u (satuan)). Dinyatakan dalam kilogram, ini adalah:

1 h ≈ 1.6605402 × 10 ⁻²⁷ kg.

Dimensi molekul berada dalam orde nanometer (1 nm = 1 × 10 ⁻⁹ m, sepersejuta milimeter).

Atom

Atom (Yunani Kuno: ἄτομος, atomos ‚ tidak dapat dibagi) adalah partikel terkecil yang menjadi materi dapat dibagi dengan metode kimia. Sebuah atom sangat kecil; ada lebih banyak atom dalam satu gelas air daripada satu gelas air di semua samudra di bumi. Atom adalah blok penyusun terkecil dari semua elemen kimia.

Fisikawan menganggap model atom di mana atom terdiri dari tiga jenis partikel subatomik yang lebih kecil: proton, neutron, dan elektron. Partikel-partikel ini juga dapat terjadi secara terpisah, di luar atom. Hampir semua sifat kimia dan fisika materi yang terjadi di bumi terkait dengan sifat atom. Oleh karena itu, atom merupakan konsep kunci dalam kedua ilmu tersebut. Sifat fisik atom individu, mengabaikan sifat zat kimia, dipelajari dalam fisika atom.

Misalnya, bintang, bintang neutron, dan lubang hitam mengandung materi yang tidak tersusun dari atom. Studi tentang bentuk materi khusus ini membentuk bidang fisika plasma dan astrofisika.

2. Partikel subatom

Partikel subatom adalah partikel yang lebih kecil dari atom. Beberapa partikel subatom dapat menjadi bagian dari atom, yang lain hanya terbentuk di bintang, di laboratorium, atau dalam keadaan luar biasa lainnya. Partikelnya lebih kecil dari 1 fm atau Femtometer (10 −15 m). Mereka dipelajari oleh fisika partikel.

Inti atom

Inti atom adalah bagian tengah atom yang mengandung sebagian besar materi penyusunnya, tetapi menempati volume yang relatif kecil. Itu dibentuk oleh baryon , khususnya oleh proton dan neutron , dalam jumlah variabel, tetapi selalu lebih banyak neutron daripada proton. Pengecualian adalah inti hidrogen biasa (dibentuk oleh satu proton) dan atom yang lebih ringan, di mana jumlah proton dan neutron biasanya sama. Jumlah proton disebut nomor atom dan merupakan parameter yang menentukan unsur kimia mana yang sesuai dengan atom. Jumlah neutron atom dari unsur yang sama dapat bervariasi: inti dengan nomor atom yang sama, tetapi jumlah neutron yang berbeda, disebut isotop.

Gaya yang menyatukan baryon yang membentuk inti atom, yang disebut nukleon, adalah gaya nuklir kuat.

Beberapa atom secara spontan meluruh melalui proses radioaktif yang terdiri dari pancaran elektron berenergi tinggi (sinar beta) atau inti helium (sinar alfa). Beberapa inti sangat stabil, sementara yang lain meluruh dengan sangat cepat. Kestabilan inti atom bergantung pada jumlah total nukleon (unsur dengan nomor atom lebih besar dari timbal semuanya radioaktif dan timbal dan unsur dengan nomor atom lebih rendah biasanya tidak) dan juga pada rasio antara jumlah proton dan neutron: yaitu mengapa dalam unsur yang sama, isotop yang berbeda dapat memiliki umur rata-rata yang berbeda.

3. Fermion

Fermion, dinamai menurut fisikawan Italia Enrico Fermi , adalah partikel yang dicirikan oleh putaran setengah bilangan bulat (s=1/2, s=3/2, s=5/2, …). Ini berbeda dengan boson , yang selalu memiliki putaran bilangan bulat. Setiap partikel subatomik Model Standar dapat diklasifikasikan ke dalam salah satu dari dua jenis ini. Karena fermion memiliki putaran setengah bilangan bulat, mereka mematuhi prinsip pengecualian Pauli Pauli , yang berarti bahwa dua fermion tidak dapat memiliki bilangan kuantum yang persis sama. Prinsip ini memastikan, antara lain, stabilitas kulit elektron. Lebih umum, fermion memenuhi distribusi Fermi-Dirac.

Fermion elementer, yaitu fermion yang tidak lagi terdiri dari partikel subatomik lainnya, yaitu partikel elementer , dapat dibagi lagi menjadi lepton (misalnya elektron , muon ) dan quark (blok penyusun dasar hadron ). Mereka adalah blok bangunan materi. Putaran mereka setengah. Selain fermion dasar, ada juga fermion majemuk; misalnya proton dan netron.

Boson unsur mentransfer kekuatan antara unsur fermion.

Quark

Dalam fisika partikel, quark adalah fermion elementer masif yang berinteraksi kuat untuk membentuk materi nuklir dan jenis partikel tertentu yang disebut hadron. Bersama dengan lepton, mereka adalah konstituen dasar materi barionik. Berbagai spesies quark bergabung dengan cara tertentu untuk membentuk partikel subatomik seperti proton dan neutron.

Enam dari partikel Model Standar adalah quark (berwarna ungu). Masing-masing dari tiga kolom pertama membentuk generasi materi. Cush, Public domain, via Wikimedia Commons

Quark adalah satu-satunya partikel fundamental yang berinteraksi dengan keempat gaya fundamental. Mereka berputar 1/2 partikel, dan mereka adalah fermion Dirac sehingga antipartikel yang sesuai ada.

4. Partikel boson

Boson, dinamai menurut Satyendra Nath Bose, adalah partikel elementer yang memiliki putaran bilangan bulat (0, 1, 2, …). Ini berbeda dengan fermion, yang memiliki putaran setengah bilangan bulat (1/2, 3/2, 5/2, …).

Partikel-partikel berikut adalah boson:

boson pengukur yang membawa empat gaya dasar alam: untuk gaya elektromagnetik foton
untuk gaya nuklir lemah boson W dan boson Z
untuk gaya nuklir kuat gluon
untuk gravitasi graviton (belum terbukti).
higgs boson
partikel komposit dengan jumlah fermion genap, mis. meson.

Boson yang tidak tersusun adalah partikel unsur dalam Model Standar fisika partikel. Boson khusus adalah Higgs boson. Itu bukan senyawa, jadi bagian dari Model Standar, dan akan bertanggung jawab atas massa partikel elementer.

Boson, tidak seperti fermion, dapat berada dalam keadaan kuantum yang sama dan ternyata tidak mematuhi prinsip eksklusi Pauli. Boson sesuai dengan statistik Bose-Einstein dan karenanya memiliki sifat khusus, seperti mampu membentuk kondensat Bose-Einstein.

Contohnya adalah Helium-4 (⁴He). Ini adalah boson, karena terdiri dari fermion dalam jumlah genap. Pada suhu yang sangat rendah, helium menjadi superfluida. Dalam keadaan aneh ini, cairan tidak memiliki viskositas dan tegangan permukaan. Sebuah cangkir dengan helium superfluida karenanya dapat kosong tanpa alasan yang jelas karena helium merayap melewati batas untuk menemukan keadaan energi terendah.

Boson juga berperan dalam superkonduktivitas, di mana dua elektron bergabung membentuk boson: pasangan Cooper.

5. Hadron

Hadron adalah partikel subatomik yang terdiri dari quark. Quark ini disatukan oleh pertukaran timbal balik gluon. Nama ini berasal dari bahasa Yunani hadros yang berarti kuat. Ini karena gluon mewakili gaya nuklir kuat.

Terdapat dua kategori hadron:

Baryon (seperti proton dan neutron). Ini terdiri dari tiga quark, memiliki spin setengah bilangan bulat, dan karenanya merupakan fermion.
Meson (seperti pion dan kaon). Ini terdiri dari quark dan antiquark, memiliki putaran bilangan bulat dan karenanya merupakan boson.

Sebagian besar massa hadron terdiri dari energi potensial dan kinetik. Misalnya, sebuah proton (massa invarian 938 MeV/c²) mengandung dua quark atas (2×3 MeV/c²) dan satu quark bawah (6 MeV/c ²). Massa yang tersisa adalah energi menurut rumus Einstein E = mc².

Massa alam semesta terdiri dari empat persen hadron. 23% adalah materi gelap dan 73% adalah energi gelap, menurut hasil dari WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).

Lainnya: tetraquark dan pentaquark

Tetraquark

Dalam fisika partikel, tetraquark adalah meson eksotis hipotetis, terdiri dari empat quark. Tetraquark, jika ada, berada di luar model quark. Kandidat tetraquark pertama diusulkan pada tahun 2003 di Jepang. Partikel yang kemudian diusulkan akan memiliki massa 3872 mega elektron volt.

Kemudian, pada tahun 2007, partikel Z(4430) diusulkan, yang memiliki massa 4430 megaelektron volt, dan diamati pada tahun 2014 oleh LHC. Pada tahun 2010, dua fisikawan Jerman dari DESY mengumumkan bahwa terdapat resonansi tertentu dalam tetraquark.

Pentaquark

Pentaquark adalah partikel subatom yang terdiri dari 5 quark. Pentaquark istimewa karena terdiri dari 5 quark, sedangkan hadron yang diketahui terdiri dari 2 atau 3 quark.

Bukti ditemukan pada tahun 2003 bahwa pentaquark mungkin ada. Petunjuk ini ditemukan dengan membombardir atom karbon dengan foton berenergi tinggi. Pentaquark adalah baryon “eksotis” dan selalu terdiri dari 4 quark normal dan 1 antiquark, mis. 2 upquark, 2 downquark dan 1 anti-aneh quark. Sebuah pentaquark meluruh dengan sangat cepat.

Jika pentaquark benar-benar ada, ini akan menjadi sangat penting untuk kromodinamika kuantum, ini adalah teori yang menjelaskan mengapa quark selalu muncul dalam kelompok.

6. Hipotesis

Hipotesis (dari bahasa Yunani Kuno: ὑπόθεσις (hipotesis), asumsi) dalam sains empiris adalah proposisi yang belum (belum) terbukti, dan berfungsi sebagai titik awal untuk eksperimen atau pengamatan terarah.

Superpartner

Dalam fisika partikel, superpartner (juga sarticle) adalah kelas partikel elementer hipotetis yang diprediksi oleh supersimetri, yang, di antara penerapan lainnya, merupakan salah satu cara yang dipelajari dengan baik untuk memperluas model standar fisika energi tinggi.

Saat mempertimbangkan ekstensi Model Standar, awalan s- dari sarticle digunakan untuk membentuk nama mitra super dari fermion Model Standar (sfermion), mis. berhenti squark. Superpartner bos Model Standar memiliki -ino (bosino) ditambahkan ke namanya, mis. gluino, kumpulan semua superpartner pengukur disebut gaugino.

Partikel Majorana

Partikel Majorana atau fermion Majorana adalah sejenis fermion yang merupakan anti partikelnya sendiri. Jenis lain dari fermion disebut Dirac fermion, yang berbeda dari anti partikelnya. Sejauh ini, semua fermion dalam model standar fisika partikel adalah fermion Dirac, kecuali mungkin neutrino, tetapi mereka juga bukan fermion Majorana. Ada beberapa boson yang anti partikelnya sendiri, seperti boson Z dan foton. Dalam teori supersimetri, neutralino adalah anti-partikelnya sendiri.

Istilah ini juga digunakan ketika berbicara tentang partikel semu. Artinya, banyak partikel secara kolektif berperilaku sedemikian rupa sehingga mereka memiliki sifat-sifat partikel tunggal dan banyak lagi…

Bacaan Lainnya

Sumber bacaan: CleverlySmart, CERN, UC Berkeley, EurekAlert – Advancement of Science (AAAS)

Sumber foto utama: Cush, Public domain via Wikimedia Commons

Penjelasan foto: Model standar partikel elementer: teridiri dari 12 spesies fermion dasar (partikel benda) dan 12 spesies boson dasar (partikel radiasi), dan antipartikel yang bersangkutan dan Higgs boson.

Fisika Partikel | Definisi, Contoh dan Penjelasan