Kekuatan nuklir yang kuat, seperti yang Anda duga, adalah kekuatan yang sangat kuat. Ini sangat kuat sehingga mampu mengumpulkan beberapa partikel terkecil di alam semesta untuk waktu yang sangat lama, mungkin selamanya. Partikel yang terikat oleh kekuatan kuat membentuk blok bangunan dunia kita sehari-hari: proton dan neutron. Tetapi jika Anda memotong proton atau neutron, Anda tidak akan menemukan susunan partikel subatomik yang bagus dan sederhana. Sebaliknya Anda akan melihat jeroan menjijikkan dari mungkin salah satu kekuatan paling kompleks di alam semesta.
Proton dan neutron bukan satu-satunya hal yang dapat dibuat oleh kekuatan kuat, tetapi kita tidak benar-benar memahami pengaturan lain yang lebih kompleks dan eksotis. Terlebih lagi, bahkan pengamatan dan eksperimen kami sendiri sangat samar. Tetapi fisikawan bekerja keras mencoba untuk mengumpulkan wawasan ke dalam kekuatan alam yang mendasar ini.
Kuat dan kompleks
Untuk menggambarkan kekuatan yang kuat, yang terbaik adalah membandingkannya dengan sepupunya yang jauh lebih terkenal, gaya elektromagnetik. Dengan gaya elektromagnetik hal-hal sederhana, mudah dan langsung; sedemikian rupa sehingga para ilmuwan di tahun 1900-an sebagian besar mampu mengetahuinya. Dengan gaya elektromagnetik, setiap partikel dapat bergabung dengan partai asalkan memiliki sifat yang disebut muatan listrik. Jika Anda memiliki muatan ini, maka Anda bisa merasakan dan merespons gaya elektromagnetik. Dan segala macam partikel dari semua garis dan rasa membawa muatan listrik, seperti elektron varietas kebun Anda.
Partikel lain, partikel cahaya (juga dikenal sebagai foton), melakukan pekerjaan mentransmisikan gaya elektromagnetik dari satu partikel bermuatan ke yang lain. Foton itu sendiri tidak memiliki muatan listrik sendiri, dan tidak bermassa. Ia bergerak dengan kecepatan cahaya, bergerak bolak-balik melintasi alam semesta, membuat elektromagnetisme terjadi.
Muatan listrik. Satu pembawa gaya elektromagnetik. Sederhana, mudah.
Sebaliknya, ada enam partikel yang tunduk pada gaya nuklir kuat. Sebagai kelompok, mereka dikenal sebagai quark dan memiliki nama yang cukup unik seperti naik, turun, atas, bawah, aneh dan pesona. Untuk merasakan dan merespons kekuatan nuklir yang kuat, quark ini memiliki muatannya sendiri. Ini bukan muatan listrik (walaupun mereka juga memiliki muatan listrik dan juga merasakan gaya elektromagnetik), tetapi karena berbagai alasan yang membuat segalanya benar-benar membingungkan, fisikawan menyebut muatan khusus ini yang terkait dengan gaya nuklir kuat sebagai muatan warna.
Kuark dapat memiliki satu dari tiga warna, yang disebut merah, hijau dan biru. Hanya untuk memperjelas, itu bukan warna yang sebenarnya, tetapi hanya label yang kami berikan untuk properti aneh dan seperti biaya ini.
Jadi, quark merasakan kekuatan yang kuat, tetapi dibawa oleh banyak partikel lain - delapan, tepatnya. Mereka disebut gluon, dan mereka melakukan pekerjaan yang sangat hebat ... tunggu saja ... menempelkan quark bersama. Gluon juga memiliki kemampuan dan keinginan untuk membawa muatan warna mereka sendiri. Dan mereka memiliki massa.
Enam quark, delapan gluon. Kuark dapat mengubah muatan warnanya, dan gluon juga bisa, karena mengapa tidak.
Semua ini berarti bahwa gaya nuklir kuat jauh lebih kompleks dan rumit daripada sepupu elektromagnetiknya.
Sangat Aneh
Oke, saya berbohong. Fisikawan tidak hanya menyebut sifat quark dan gluon ini sebagai "muatan warna" karena mereka merasa menyukainya, tetapi karena itu berfungsi sebagai analogi yang bermanfaat. Gluon dan quark dapat mengikat bersama untuk membentuk partikel yang lebih besar selama semua warna bertambah menjadi putih, sama seperti merah, biru dan hijau menambahkan hingga cahaya putih ... Kombinasi yang paling umum adalah tiga quark, masing-masing merah, hijau, dan biru. Tetapi analoginya menjadi sedikit rumit di sini, karena masing-masing quark dapat memiliki warna apa pun yang ditugaskan padanya kapan saja; yang penting adalah jumlah quark untuk mendapatkan kombinasi yang tepat. Jadi, Anda dapat memiliki kelompok tiga quark untuk membuat proton dan neutron yang Anda kenal. Anda juga dapat memiliki ikatan quark dengan anti-quark, di mana warnanya akan hilang dengan sendirinya (seperti pada, pasangan hijau dengan anti-hijau, dan tidak, saya tidak hanya mengada-ada saat saya melanjutkan), untuk membuat jenis partikel yang dikenal sebagai meson.
Tapi itu tidak berakhir di sana.
Secara teoritis, setiap kombinasi quark dan gluon yang menambahkan warna putih secara teknis diperbolehkan.
Sebagai contoh, dua meson - masing-masing dengan dua quark di dalamnya - berpotensi mengikat bersama menjadi sesuatu yang disebut tetraquark. Dan dalam beberapa kasus, Anda dapat menambahkan quark kelima ke dalam campuran, masih menyeimbangkan semua warna, disebut (Anda dapat menebaknya) sebuah pentaquark.
Tetraquark bahkan tidak harus secara teknis diikat menjadi satu partikel. Mereka hanya bisa ada berdekatan satu sama lain, membuat apa yang disebut molekul hidronik.
Dan betapa gilanya ini: Para gluon itu sendiri bahkan mungkin tidak membutuhkan quark untuk membuat partikel. Mungkin saja ada bola gluon nongkrong, relatif stabil di alam semesta. Mereka disebut glueballs. Kisaran semua keadaan terikat yang dimungkinkan oleh gaya nuklir kuat disebut spektrum kuarkonium, dan itu bukan nama yang dibuat oleh penulis acara TV Sci-Fi. Ada segala macam kombinasi quark dan gluon gila yang mungkin saja ada.
Begitu juga mereka?
Quark Rainbow
Mungkin.
Fisikawan telah menjalankan eksperimen kekuatan nuklir yang kuat selama beberapa dekade sekarang, seperti Baber Experiment dan beberapa di Large Hadron Collider, perlahan-lahan selama bertahun-tahun membangun tingkat energi yang lebih tinggi untuk menyelidiki lebih dalam dan lebih dalam spektrum quarkonium (dan ya Anda memiliki izin saya untuk menggunakan frasa itu dalam kalimat apa pun atau percakapan biasa yang Anda inginkan, sungguh mengagumkan). Dalam percobaan ini, fisikawan telah menemukan banyak koleksi eksotis quark dan gluon. Eksperimentalis memberi mereka nama yang funky, seperti χc2 (3930).
Partikel potensial eksotis ini hanya ada dengan cepat, tetapi dalam banyak kasus memang ada. Tetapi fisikawan mengalami kesulitan menghubungkan partikel-partikel yang diproduksi secara singkat ini dengan yang teoretis yang kita duga seharusnya ada, seperti tetraquark dan glueballs.
Masalah dengan membuat koneksi adalah matematika sangat sulit. Berbeda dengan gaya elektromagnetik, sangat sulit untuk membuat prediksi solid yang melibatkan gaya nuklir kuat. Ini bukan hanya karena interaksi yang rumit antara quark dan gluon. Pada energi yang sangat tinggi, kekuatan gaya nuklir kuat sebenarnya mulai melemah, memungkinkan matematika untuk menyederhanakan. Tetapi pada energi yang lebih rendah, seperti energi yang diperlukan untuk mengikat quark dan gluon untuk membuat partikel yang stabil, gaya nuklir yang kuat sebenarnya, yah, sangat kuat. Peningkatan kekuatan ini membuat matematika lebih sulit untuk diketahui.
Fisikawan teoretis telah menghasilkan banyak teknik untuk mengatasi masalah ini, tetapi teknik itu sendiri tidak lengkap atau tidak efisien. Meskipun kita tahu bahwa beberapa keadaan eksotis dalam spektrum kuarkonium ini ada, sangat sulit untuk memprediksi sifat dan tanda tangan eksperimental mereka.
Tetap saja, fisikawan bekerja keras, seperti yang selalu mereka lakukan. Perlahan-lahan, seiring waktu, kami membangun koleksi partikel eksotis yang diproduksi dalam colliders, dan membuat prediksi yang lebih baik dan lebih baik tentang seperti apa keadaan teori kuarkonium. Pertandingan-pertandingan secara perlahan bersatu, memberi kita gambaran yang lebih lengkap tentang kekuatan aneh tapi mendasar ini di alam semesta kita.
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.
