Proton (latar depan) terdiri dari tiga quark, masing-masing dengan properti unik yang disebut warna. Mereka dipegang erat oleh kekuatan nuklir yang kuat.
(Gambar: © Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley)
Paul M. Sutter adalah seorang astrofisikawan di Universitas Negeri Ohio, tuan rumah dari Tanya seorang angkasawan dan Radio luar angkasa, dan penulis Tempat Anda di Alam Semesta. Sutter menyumbang artikel ini untuk Suara Ahli Space.com: Op-Ed & Insights.
Keempat kekuatan alam yang diketahui memiliki tempat mereka sendiri yang unik. Gravitasi, elektromagnetisme, nuklir lemah, nuklir kuat: Masing-masing mengatur beberapa wilayah kecil kehidupan kita. Sementara pengalaman kita sehari-hari didominasi oleh gravitasi Bumi dan elektromagnetisme dari cahaya dan magnet kulkas, kekuatan nuklir kembar juga memainkan peran kunci - hanya pada skala yang sangat, sangat kecil.
Seberapa kecil? Bayangkan diri Anda membesar menjadi ukuran tata surya. Tanganmu berenang melalui Oort Cloud sendiri, planet-planet bersarang di atas pusar Anda. Anda begitu besar sehingga sinyal-sinyal listrik membutuhkan waktu berminggu-minggu atau bahkan berbulan-bulan untuk melakukan perjalanan mereka melalui sistem saraf Anda, bahkan membuat gerakan paling sederhana sangat lambat.
Itulah perbedaan antara ukuran Anda saat ini (sekitar beberapa meter) dan 10 ^ 15 meter.
Sekarang, jalankan secara terbalik. Bayangkan sebuah skala yang sangat kecil sehingga tubuh Anda saat ini terasa sebesar tata surya. Skala di mana gerakan Anda meningkat seiring dengan langkah paling lambat. Skala yang sangat kecil ini adalah femtometer: 10 ^ -15 meter. Ini skala inti atom.
Ke dalam proton
Dari jauh di sini, tergoda untuk menganggap proton sebagai satu partikel. Cangkang keras berisi muatan dan massa positif, mampu melambung dan mengetuk semudah bola bilyar. Namun pada kenyataannya, proton terbuat dari tiga partikel yang lebih kecil. Partikel-partikel ini memiliki nama quarky yang unik dan menyenangkan. Ada total enam jenis quark di alam, tetapi untuk pemeriksaan dekat kita tentang proton kita hanya perlu peduli tentang dua dari mereka, dinamai quark atas dan bawah.
Seperti yang saya katakan, proton adalah triplet kuark: dua quark atas dan satu quark bawah. Quark ini mengikat bersama sebagai sebuah tim, dan tim terikat itulah yang kita sebut proton.
Kecuali, itu tidak masuk akal.
Kedua quark memiliki muatan listrik yang sama persis (karena mereka adalah jenis partikel yang sama persis), sehingga mereka harus saling membenci. Bagaimana mereka tetap terpaku erat?
Dan terlebih lagi, kita tahu dari mekanika kuantum bahwa dua quark tidak dapat berbagi keadaan yang sama persis - Anda tidak dapat memiliki dua dari jenis yang sama terikat bersama seperti itu. Kedua quark itu seharusnya tidak diizinkan hidup berdampingan bersama seperti itu. Namun mereka tidak hanya saling menoleransi, tetapi tampaknya sangat menikmati perusahaan!
Apa yang sedang terjadi?
Warna yang berbeda
Pada 1950-an dan 60-an, fisikawan mulai menyadari bahwa proton itu tidak mendasar - ia dapat dipecah menjadi bagian-bagian yang lebih kecil. Jadi mereka melakukan banyak percobaan dan mengembangkan banyak teori untuk memecahkan kacang tertentu. Dan mereka segera berlari ke a) keberadaan quark dan b) teka-teki membingungkan di atas.
Sesuatu menyatukan ketiga quark itu. Sesuatu yang sangat, sangat kuat. Kekuatan alam yang baru.
Kekuatan yang kuat.
Kekuatan kuat yang dihipotesiskan memecahkan masalah quark yang hidup berdampingan dengan kekuatan kasar sederhana. Oh, kamu tidak suka bersama karena kamu tidak bisa berbagi keadaan yang sama? Yah, terlalu buruk, kekuatan kuat akan membuat Anda tetap melakukannya, dan itu akan memberikan jalan keluar untuk masalah itu.
Dan setiap kekuatan memiliki titik koneksi. Sebuah kait. Cara untuk memberi tahu kekuatan itu seberapa besar Anda terpengaruh olehnya. Untuk gaya elektromagnetik, itu adalah muatan listrik. Untuk gravitasi, itu adalah massa. Untuk kekuatan nuklir yang kuat, fisikawan harus membuat kail baru. Cara bagi kuark untuk terhubung ke quark lain melalui kekuatan itu. Dan fisikawan memilih warna kata.
Jadi jika Anda atau partikel yang Anda kenal memiliki sifat baru yang disebut warna, maka Anda bisa merasakan kekuatan nuklir yang kuat. Warna Anda bisa merah, hijau, atau biru (membingungkan juga ada anti-merah, anti-hijau dan anti-biru, karena tentu saja hidup tidak sesederhana itu). Untuk membangun partikel seperti proton, semua warna quark harus ditambah hingga putih. Jadi satu quark ditugaskan untuk menjadi merah, yang lain ditugaskan untuk menjadi hijau, dan yang terakhir ditugaskan untuk menjadi biru. Tugas warna tertentu sebenarnya tidak penting (dan, pada kenyataannya, quark individu terus berubah warna), yang penting adalah bahwa mereka semua menambahkan hingga putih dan bahwa kekuatan yang kuat dapat melakukan tugasnya.
Properti warna baru inilah yang memungkinkan quark berbagi keadaan di dalam proton. Dengan warna, tidak ada dua quark yang persis sama - mereka sekarang memiliki warna yang berbeda.
Kekuatan super
Bayangkan mengambil dua tang kecil dan meraih dua quark di proton. Anda berhasil, sehingga Anda bisa mengatasi kekuatan kekuatan nuklir yang kuat yang menyatukan mereka.
Tapi ada sesuatu yang aneh tentang kekuatan yang kuat: Itu tidak berkurang dengan jarak. Kekuatan lain, seperti gravitasi dan elektromagnetisme, lakukan. Tetapi kekuatan yang kuat tetap sama kuat seperti biasanya, tidak peduli seberapa jauh jarak quark tersebut.
Jadi saat Anda menarik quark itu, Anda harus terus menambahkan lebih banyak energi untuk mempertahankan pemisahan. Anda akhirnya menambahkan begitu banyak energi sehingga, energi setara dengan massa dan semua itu, partikel baru muncul dalam ruang hampa udara di antara quark. Partikel baru seperti ... quark lainnya.
Quark baru ini segera menemukan teman-teman mereka yang baru terpisah dan mengikat bersama, melemparkan semua kerja keras Anda dan berkeringat dalam satu kilatan energi sebelum jarak di antara mereka bahkan terlihat. Pada saat Anda berpikir Anda telah memisahkan quark, mereka sudah menemukan yang baru untuk diikat. Efek ini dikenal sebagai kurungan quark: Kekuatan yang kuat sebenarnya sangat kuat sehingga mencegah kita melihat quark secara terpisah.
Sayang sekali kita tidak akan pernah bisa melihat apa warnanya.
Pelajari lebih lanjut dengan mendengarkan episode "Apa yang membuat kekuatan kuat begitu kuat?" di podcast Ask A Spaceman, tersedia di iTunes dan di Web di http://www.askaspaceman.com. Terima kasih kepada Kayja N. dan Ter B. atas pertanyaan yang mengarah pada bagian ini! Ajukan pertanyaan Anda sendiri di Twitter menggunakan #AskASpaceman atau dengan mengikuti Paul @PaulMattSutter dan facebook.com/PaulMattSutter.
- Fisikawan Hanya Mendeteksi Partikel Sangat Aneh Yang Bukan Partikel Sama Sekali
- Lebih dari Satu Realitas Ada (dalam Fisika Kuantum)
- Mengapa Fisikawan Tertarik pada Keajaiban Misterius dari Quark Heftiest
