In Search Of Dark Matter (Pencarian Dark Matter) - Ken Freeman & Geoff Mcnamara [#52] - Tamat

Lampiran 1:

Apa Itu Materi?

Kita manusia, binatang, tumbuhan, semua bentuk kehidupan, Bumi, planet-planet, dan bintang-bintang, tolong-menolong terbuat dari apa? Dan apakah semua itu benar-benar ada di Alam Semesta? Ini yakni pertanyaan yang seakan-akan sederhana yang eksklusif menuju inti pencarian dark matter. Dalam buku ini kami telah menggali banyak sekali aspek materi dan partnernya, energi, dan telah memikirkan mengapa beberapa tipe materi yang belum ditemukan begitu dicurigai sehingga para ilmuwan menginvestasikan banyak uang pada perangkat-perangkat demi mencarinya. Ini yakni dongeng ihwal awalmula Alam Semesta dan bagaimana itu membawa pada tipe dan jumlah materi yang kita lihat hari ini. Di sini kita meninjau kembali gagasan dasar ihwal sifat materi, terbuat dari apa ia, dan bagaimana ia terbentuk.

Definisi materi

Hal pertama yang harus dipahami ihwal materi yakni bahwa tidak semua materi sanggup dilihat secara langsung, dan tidak semua yang Anda lihat di sekeliling Anda merupakan materi. Contoh umum yakni udara dan cahaya. Kita sanggup mencicipi udara, dan bahkan melihat efeknya pada benda-benda ibarat pakaian di jemuran; tapi sesungguhnya kita tidak sanggup melihatnya – setidaknya tidak sanggup tanpa peralatan khusus. Sebaliknya, cahaya memungkinkan kita untuk melihat segala hal di sekitar kita. Setiap matahari terbit, kita bermandikan cahaya – dan kehidupan akan segera menemui ajalnya tanpa cahaya. Tapi cahaya bukanlah materi; ia merupakan energi.

Jadi, apa itu materi? Terdapat beberapa kriteria yang harus dipenuhi sebelum sebuah entitas sanggup digambarkan sebagai materi. Pertama, ia harus menempati ruang. Anda terbuat dari materi, dan Anda sanggup menunjukan bahwa Anda memakan ruang setiap kali Anda naik ke dalam kolam penuh air. Level air yang naik yakni bukti bahwa Anda mempunyai volume. Bukti lain yang kurang terang terlihat yakni bahwa Anda menolak perubahan gerak. Barangkali referensi lebih baik yakni kendaraan beroda empat mogok. Dihadapkan dengan kebutuhan untuk mendorongnya keluar dari jalan, Anda mengalami kelembaman – penolakan terhadap perubahan gerak, sekalipun gerak tersebut masih tersisa. Tak sanggup disangkal, ukiran ban dengan jalan memperlihatkan penolakan lebih jauh, tapi meskipun Anda mencoba mendorong kendaraan beroda empat di atas lapangan es, Anda akan mendapatinya lebih sedikit bergerak daripada Anda, lantaran ia mengalami lebih banyak kelembaman dibanding Anda. Dengan kata lain, ada lebih banyak kendaraan beroda empat daripada Anda.

Terakhir, materi mempunyai massa. Massa didefinisikan sebagai jumlah materi dalam sebuah objek, tapi ini dihentikan tertukar dengan berat. Contoh familiar berupa kesamaan berat di Bulan dengan berat Anda di Bumi mungkin sejenak menciptakan Anda merasa lebih nyaman – tapi massa dan volume Anda tetap sama di kedua lingkungan tersebut.

Karena itu, materi yakni segala sesuatu yang sanggup ditimbang, didorong, ditarik, sanggup berubah bentuk, dan seterusnya. Ini secara intuitif memang jelas, tapi perlu dinyatakan secara langsung. Yang sangat kurang terang yakni sifat materi. Jika kita mempelajari susunan dasarnya, apa yang akan kita lihat? Sekitar tahun 500 SM, filsuf Yunani, Democritus, mencurahkan pemikiran sungguh-sungguh terhadap ini, dan dalam pikirannya membayangkan partikel-partikel kecil yang tak sanggup dibagi yang menyusun semua materi. Dia menyebut mereka atom – yang berarti ‘tak sanggup dipotong’. Secerdas-cerdasnya Democritus – tapi ia memang benar – ia hanya berspekulasi. Dia tak punya bukti untuk mendukung gagasannya, dan pada waktu itu banyak orang yang tidak sependapat dengannya. Namun hari ini kita tak hanya sanggup mempelajari dunia materi untuk melihat apa yang ada, tapi kita punya bukti untuk mendukung kesimpulan kita mengenai dunia abnormal ini. Beberapa bukti itu seindah pengungkapan dalam buku ini, sementara beberapa yang lain – ibarat bom nuklir – sangat mengerikan. Poinnya yakni bahwa kita kini lebih erat daripada sebelumnya menuju pemahaman sifat sejati materi – setidaknya materi yang sanggup kita lihat, dan bahkan barangkali materi yang tak sanggup kita lihat.

Makroskopis: sel

Pikirkan sebuah referensi materi yang mudah: halaman-halaman buku ini. Lihat lebih dekat, lalui kata-kata, huruf, dan tanda titik di simpulan kalimat ini. Pandangilah serat-serat yang menyusun halaman-halaman – serat-serat yang dahulunya merupakan jaringan hidup dalam pepohonan. Jaringan tersebut terbuat dari sel-sel, dan sel-sel itu terbuat dari bagian-bagian sangat kompleks yang tak terhitung banyaknya – membran, sitoplasma, mitokondria, dan sebagainya – yang pernah menjalani proses kehidupan yang kini telah berakhir. Bagian-bagian itu terbuat dari beberapa molekul terbesar dan terkompleks di Alam Semesta – referensi familiar yakni molekul kehidupan, DNA, yang mengangkut instruksi genetik yang memungkinkan kita dan semua makhluk hidup untuk bereproduksi.

Molekul

Molekul mempunyai banyak sekali bentuk yang mengherankan, dan sebagian besar material yang kuat pada hidup kita tersusun dari tipe molekul yang berbeda-beda. Contohnya air, tanpanya kehidupan akan berhenti. Ini yakni sebuah molekul yang terdiri dari dua tipe partikel yang lebih kecil yang disebut atom. Atom mempunyai ciri yang berbeda-beda yang disebut unsur, sekitar seratus darinya telah diketahui. Dua unsur dalam air, contoh, yakni oksigen dan hidrogen. Unsur-unsur menyatu untuk membentuk semua molekul di sekitar kita, dan bereaksi bersama untuk membentuk zat gres dalam reaksi kimia. Contoh umum dijumpai ketika memasak, misalnya, atau ketika minyak bumi menyatu dengan oksigen dalam kendaraan Anda. Dalam kedua kasus, terjadi suatu pertukaran energi, tapi bukan materi. Dalam masalah memasak, energi yakni input sehingga bermacam-macam molekul bereaksi dan menciptakan masakan ringan manis mengembang. Di sisi lain, dalam mesin kendaraan, input energi yang pada mulanya kecil (percikan dari spark-plug) memicu sebuah reaksi antara minyak bumi dan oksigen untuk melepaskan energi, yang menggerakkan kendaraan tersebut. Dalam kedua referensi tersebut, kombinasi gres dari unsur-unsur dan senyawa-senyawa dihasilkan, tapi materi tidaklah tercipta atau terhancurkan.

Unsur

Seluruh Alam Semesta hampir hanya terdiri dari dua unsur: hidrogen dan helium. Semua yang berdasarkan Anda dan saya begitu menarik dalam kehidupan sehari-hari (dengan pengecualian dark matter, tentu saja) terbuat dari unsur-unsur yang sangat minoritas. Tapi semua unsur ini – dari yang paling ringan dan sederhana (hidrogen) hingga elemen-elemen dengan massa yang berat serta nama yang lebih berat ibarat ununnilium – terbuat dari atom-atom. Tapi bukan atom yang dipahami oleh Democritus.

Atom

Atom sebaliknya terbuat dari empat hal: proton dan neutron yang menyusun nukleus, elektron di sekeliling nukleus, dan sejumlah besar ruang. Tapi seberapa luas ruang yang ada? Bayangkan bahwa nukleus atom yakni seukuran kacang kenari. Pada skala ini, elektron-elektron akan mendengung dalam sebuah bola lebih dari satu kilometer bolak-balik. Meski ruang ini sangat besar, 99% materi dalam sebuah atom berada dalam nukleus yang sangat kecil itu. Makara apa yang menjaga kesatuan itu semua? Jawabannya yakni energi: muatan listrik elektron yakni negatif, sementara nukleus (penyebabnya akan kita simak sebentar lagi) yakni positif. Muatan negatif dan positif menarik dan menahan elektron pada tempatnya. Tetapi mengenai atom yang sedang menjumpai atom lain, mereka saling menolak lantaran alasan sederhana bahwa mereka mempunyai elektron di sebelah luar – dan dua elektron negatif sudah niscaya saling menolak. Sifat ini memungkinkan Anda memegang buku ini. Elektron-elektron negatif dalam atom dan molekul tangan Anda menolak elektron-elektron dalam atom dan molekul buku. Jika saling tolak ini tidak terjadi, tak hanya buku ini akan benar-benar lepas melalui jari-jari Anda, tapi Anda juga akan terperosot menembus bangku dan kemudian memasuki Bumi. Ini tidak sebodoh kedengarannya, lantaran ada partikel-partikel materi di Alam Semesta yang melaksanakan hal demikian. Kita kini akan mengarungi esensi materi.

Struktur atom: elektron, proton, dan neutron

Dalam nukleus kita menemukan dua tipe partikel lagi: proton dan neutron – komponen berat yang mempunyai massa. Proton punya muatan positif – muatan yang sama yang menarik elektron dan mencegah atom pecah. Neutron tidak punya muatan sama sekali, tapi, meskipun begitu, ditahan pada tempatnya di dalam nukleus oleh gaya lain yang berbeda dari gaya listrik: gaya nuklir kuat.

Quark

Yang lebih mendasar dari proton dan neutron yakni partikel-partikel yang menyusun mereka: quark. Ada banyak sekali tipe quark – up, down, strange, charmed, top, dan bottom – yang bergabung dengan cara yang berbeda-beda untuk menyusun materi. Proton, contohnya, tersusun dari dua quark up dan satu quark down, sedangkan neutron tersusun dari dua quark down dan satu quark up. Nama-nama quark tersebut sama sekali tidak terkait dengan atribut mereka, dan hanya merupakan label.

Lepton

Bagaimana dengan elektron? Dari apa ia tersusun? Elektron yakni belahan dari sebuah keluarga partikel yang jauh lebih ringan yang disebut lepton. Anggota lain dari keluarga lepton meliputi partikel muon dan tau, dan masing-masing dari ketiganya mempunyai associated particle yang disebut neutrino: neutrino elektron, neutrino tau, dan neutrino muon. Neutrino yakni hewan buas abnormal yang sanggup menembus materi biasa seakan-akan materi itu tidak eksis. Ini menghadirkan suatu tantangan menarik bagi para fisikawan yang tak hanya bermaksud mendeteksi mereka tapi juga mencoba mengukur massa mereka. Lepton tidak kelihatan tersusun dari apapun selain lepton; dengan kata lain mereka tidak memperlihatkan gejala mempunyai struktur internal.

Di samping ini semua, masih ada banyak partikel lain, dan ada lebih dari dua ratus yang telah diketahui atau diprediksi.

Energi

Tanyakan pada seorang fisikawan apa itu energi, dan jawabannya yakni bahwa energi memungkinkan dikerjakannya suatu pekerjaan. Ini yakni konsep yang sukar ditangkap, dan walaupun kita sanggup menggambarkan atributnya, mengklasifikasikannya dalam cara berbeda-beda, serta memprediksikan perilakunya dan juga hubungannya dengan materi pada permulaan Alam Semesta, sifat energi tetap sebuah misteri.

Energi yakni kapasitas untuk melaksanakan pekerjaan – untuk mengubah hal-hal. Berikut ini terdapat beberapa tipe yang sering dijumpai, walaupun ada banyak variasi:

• Energi kinetik. Gerakan. Mengendarai sepeda, berdansa waltz, terbang ke Bulan, maka Anda sedang menjalankan energi kinetik.

• Energi potensial. Energi tersimpan, yang memanifestasikan dirinya dalam banyak sekali bentuk ibarat energi kimia dan gravitasi. Makanan, minyak bumi, dan air di puncak tebing yang akan terjun, semuanya mempunyai energi potensial. Salah satu hal menakjubkan yang coba kita lakukan pada milenium ini yakni menyimpan energi dalam segala sesuatu mulai dari gudang pangan yang memberi kita masakan hingga reaktor nuklir mini yang mentenagai kendaraan antariksa dalam perjalanan antarplanet.

• Energi termal. Kalor – jumlah energi yang terkandung dalam partikel-partikel bergerak yang menyusun materi. Semakin cepat partikel bergerak, semakin banyak energi termal yang mereka miliki, dan, dengan jumlah yang cukup, mereka sanggup menghasilkan energi dalam jumlah besar. Walaupun energi termal disebut sebagai kalor, sebuah objek dengan energi termal dalam jumlah besar tidak niscaya panas, sedangkan sebuah objek panas tidak niscaya mengandung banyak energi termal. Kolam renang air hangat, misalnya, mengandung jauh lebih banyak energi termal dibanding paku yang berpijar, alasannya sederhana, lantaran air lebih banyak dari paku!

• Energi listrik. Salah satu bentuk energi paling familiar – untuk alasan yang bagus, kita menggunakannya dalam jumlah besar. Ini yakni pemikiran elektron, yang luar biasa gampang untuk diangkut sehabis infrastruktur sudah ada di tempatnya. Sekali energi listrik diantarkan ke rumah-rumah kita, kita sanggup mengubahnya ke dalam banyak bentuk energi lain.

• Energi radian. Contoh paling familiar yakni cahaya, tapi ada bentuk lain: sinar gamma, inframerah (digunakan untuk memanaskan dan dalam perangkat remote-control rumah tangga), gelombang mikro (untuk komunikasi dan memasak), sinar X (pengobatan), gelombang radio, dan ultraviolet. Semua ini yakni belahan dari spektrum elektromagnetik.

Masing-masing bentuk energi ini (dan yang tidak disebutkan di sini) termasuk ke dalam satu dari empat gaya mendasar di alam, yang diangkut dari satu daerah ke daerah lain berkat partikel tak bermassa yang disebut boson. Gaya-gaya tersebut beserta pengangkutnya adalah:

• Gaya elektromagnetik, diangkut oleh foton.

• Gravitasi, diangkut oleh graviton.

• Gaya nuklir kuat, diangkut oleh gluon.

• Gaya nuklir lemah, diangkut oleh partikel W+, W-, dan Z_0.

Nilai penting dari kekerabatan antara materi dan energi yakni bahwa kekerabatan tersebut sanggup dipertukarkan: Materi diubah menjadi energi di dalam bintang, misalnya, dan konversi inilah yang memungkinkan kita untuk terus hidup. Tapi untuk kepentingan dongeng kita, yakni penting untuk memahami bahwa Alam Semesta mengandung sejumlah materi dan sejumlah energi, dan, sebagaimana telah kita temukan, sejumlah dark matter. Hanya itu. Tak lebih, tak kurang. Dalam sejarah Alam Semesta, sudah terjadi beberapa konversi ganjil antara materi dan energi, dan, tak diragukan lagi, dark matter, tapi totalnya tetap sama. Salah satu impian kosmologi yakni memilih berapa banyak dari mereka – materi, energi, dan dark matter – yang eksis di Alam Semesta, lantaran ini akan membantu mengungkap atribut mendasar awal-mula, evolusi, dan takdir Alam Semesta yang kita tinggali.

Lampiran 2: Ekspresi Massa

Massa partikel subatom diekspresikan dalam electron volt (eV). Berikut yakni awalan standar:

Kelipata   Awalan    Simbol

10_3            Kilo              keV

10_6            mega           MeV

10_9            giga              GeV

10_12          tera              Tev