Matter vs. Antimatter

Materi vs. Antimateri

Materi vs. Antimateri: Ketidakseimbangan Sing Ngidini Materi Dadi Panguwasa

Salah siji misteri paling jero ing fisika modern lan kosmologi yaiku kenapa jagad raya kita meh kabeh kasusun saka materi, kanthi antimateri sing sithik banget. Miturut pangerten saiki, materi lan antimateri kudune digawe kanthi jumlah sing meh padha nalika momen awal sawise Big Bang, sing nuduhake yen kudu padha-padha musnah—nanging ora kedadeyan. Kelebihan materi sing cilik banget (kira-kira siji bagean saka milyar) tetep urip, mbentuk galaksi, lintang, planet, lan pungkasane urip kaya sing kita kenal. Asimetri sing katon antarane materi lan antimateri iki asring diarani baryon asymmetry saka jagad raya lan raket gegandhengan karo proses sing dikenal minangka CP violation lan baryogenesis.

Ing artikel iki, kita bakal njelajah:

  1. Perspektif sejarah sing ringkes babagan panemuan antimateri.
  2. Sifat ketidakseimbangan materi-antimateri.
  3. Simetri CP (charge-parity) lan pelanggarane.
  4. Kahanan Sakharov kanggo baryogenesis.
  5. Mekanisme sing diusulake kanggo ngasilake asimetri materi-antimateri (contone, elektrolemah baryogenesis, leptogenesis).
  6. Eksperimen sing terus lumaku lan arah masa depan.

Ing pungkasan, sampeyan bakal duwe gambaran kenapa kita pracaya ana luwih akeh materi tinimbang antimateri lan upaya ilmiah kanggo nemtokake mekanisme sing tepat ing balik ketidakseimbangan kosmik iki.

1. Konteks Historis: Panemuan Antimatter

Konsep antimateri pisanan diprediksi sacara teoretis dening fisikawan Inggris Paul Dirac ing taun 1928. Dirac nggawe persamaan (Persamaan Dirac) sing njlèntrèhaké elektron sing obah kanthi kecepatan relativistik. Persamaan iki ora dikarepake ngidini solusi sing cocog karo partikel sing nduweni energi positif lan energi negatif. Solusi "energi negatif" iki banjur diinterpretasi minangka partikel sing nduweni massa sing padha karo elektron nanging muatan listrik sing kebalikan.

  1. Penemuan Positron (1932): Ing taun 1932, fisikawan Amerika Carl Anderson kanthi eksperimen negesake ana antimateri kanthi ndeteksi positron (antipartikel elektron) ing jejak sinar kosmik.
  2. Antiproton lan Antineutron: Antiproton ditemokake ing taun 1955 dening Emilio Segrè lan Owen Chamberlain, lan antineutron ing taun 1956.

Penemuan iki ngukuhake gagasan yen kanggo saben jinis partikel ing Model Standar, ana antipartikel sing nduweni nomer kuantum sing kebalikan (contone, muatan listrik, nomer baryon) nanging massa lan spin sing padha.

2. Sifat Ketidakseimbangan Materi-Antimateri

2.1 Pambentukan Sing Sama Ing Awal Jagad Raya

Sajrone Big Bang, jagad raya banget panas lan padhet, kanthi energi sing cukup dhuwur kanggo nggawe pasangan partikel materi lan antimateri. Kita bakal ngarepake yen, rata-rata, kanggo saben partikel materi sing digawe, antipartikel sing padha uga bakal digawe. Nalika jagad raya ngembang lan adhem, partikel lan antipartikel iki kudu wis saling ngancurake meh kabeh, ngowahi massane dadi energi (biasane foton sinar gamma).

2.2 Materi Sisa

Nanging, pengamatan nuduhake yen jagad raya mayoritas dumadi saka materi. Ketidakseimbangan net iki cilik—nanging pancen penting banget. Iki bisa diukur kanthi ndeleng rasio kerapatan nomer baryon (yaiku, kerapatan materi) marang kerapatan foton ing jagad raya, sing asring dilambangake kanthi η = (nB - n̄B) / nγ. Data saka Cosmic Microwave Background (CMB)—sing diukur dening misi kaya COBE, WMAP, lan Planck—nuduhake:

η ≈ 6 × 10−10.

Iki tegese kanggo saben milyar foton sing isih ana saka Big Bang, mung ana kira-kira siji proton (utawa neutron)—nanging luwih penting, baryon siji iki luwih akeh tinimbang anti-baryon sing cocog. Pitakonane yaiku: Kepiye asale asimetri cilik nanging penting iki?

3. CP Simetri lan Pelanggarane

3.1 Simetri ing Fisika

Ing fisika partikel, C (charge conjugation) simetri nuduhake transformasi antarane partikel lan antipartikel. P (parity) simetri nuduhake inversi spasial (nggambarin koordinat spasial). Yen hukum fisika tetep padha ing ngisor C lan P bebarengan (yaiku, "yen katon padha nalika partikel diganti karo antipartikel lan kiwa lan tengen ditukar"), kita ngomong iku manut CP simetri.

3.2 Penemuan Awal Pelanggaran CP

Awale dipercaya manawa simetri CP bisa dadi simetri dhasar alam, utamane sawisé pelanggaran P ditemokake ing tengah taun 1950-an. Nanging, ing taun 1964, James Cronin lan Val Fitch nemokake manawa peluruhan kaon netral (K0) ora ngajeni simetri CP (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Asil sing nggumunake iki nuduhake manawa malah CP bisa dilanggar ing proses interaksi lemah tartamtu.

3.3 Pelanggaran CP ing Model Standar

Ing Model Standar fisika partikel, pelanggaran CP bisa muncul saka fase ing matriks Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), sing nerangake carane quark saka "rasa" sing beda ngalih ing ngisor gaya lemah. Mengko, fisika neutrino ngenalake matriks campuran liyane—matriks Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS)—kanggo lepton, sing uga bisa ngemot fase pelanggaran CP. Nanging, gedhene pelanggaran CP sing diamati nganti saiki ing sektor iki katon kakehan cilik kanggo nerangake kanthi lengkap asimetri baryon ing alam semesta, nuduhake perlu sumber pelanggaran CP tambahan saliyane Model Standar.

4. Kahanan Sakharov kanggo Baryogenesis

Ing taun 1967, fisikawan Rusia Andrei Sakharov ngrumusake telung kahanan sing perlu kanggo nggawe asimetri materi-antimateri ing alam semesta awal (Sakharov, 1967 [2]):

  1. Pelanggaran Nomor Baryon: Kudu ana interaksi utawa proses sing ngganti nomer baryon net B. Yen nomer baryon dijaga kanthi ketat, asimetri antarane baryon lan anti-baryon ora bisa berkembang.
  2. C lan CP Pelanggaran: Transformasi sing mbedakake antarane materi lan antimateri iku penting. Yen C lan CP iku simetri sing sampurna, proses apa wae sing nggawe luwih akeh baryon tinimbang anti-baryon bakal duwe proses cermin sing nggawe jumlah anti-baryon sing padha karo baryon, sing mbatalake.
  3. Keluar saka Keseimbangan Termal: Ing keseimbangan termal, proses nggawe lan ngilangi partikel mlaku kanthi padha maju lan mundur, njaga keseimbangan. Lingkungan sing ora seimbang—kaya alam semesta sing cepet ngembang lan adhem—ngidini proses tartamtu "beku" asimetri.

Saben teori utawa mekanisme baryogenesis sing bisa ditampa kudu nyukupi telung kahanan iki kanggo ngasilake ketidakseimbangan materi-antimateri sing diamati.

5. Mekanisme sing Diusulake kanggo Nggawe Asimetri Materi-Antimateri

5.1 Elektrolemah Baryogenesis

Elektrolemah baryogenesis nyatakake manawa asimetri baryon digawe sakitar transisi fase elektrolemah (kira-kira 10−11 detik sawisé Big Bang). Titik-titik kunci:

  • Lapangan Higgs entuk nilai ekspektasi vakum nonzero, kanthi spontan ngrusak simetri elektrolemah.
  • Proses nonperturbatif sing diarani sphalerons bisa nglanggar nomer baryon plus lepton (B+L) nalika njaga nomer baryon minus lepton (B−L).
  • Transisi fase elektrolemah orde pisanan (ngendi gelembung vakum sejati mbentuk) bisa nggawe penyimpangan sing perlu saka keseimbangan termal.
  • Interaksi pelanggaran CP ing sektor Higgs utawa liwat campuran quark bakal mbantu nyetel ketidakseimbangan materi-antimateri ing tembok gelembung.

Nanging, ing ruang parameter Model Standar (utamane karo Higgs 125 GeV sing ditemokake), ora kamungkinan transisi fase elektrolemah iku orde pisanan, lan jumlah pelanggaran CP saka matriks CKM ora cukup. Akibate, akeh teoritis nyaranake fisika luwihi Model Standar—kaya lapangan skalar tambahan—kanggo nggawe baryogenesis elektrolemah luwih bisa ditindakake.

5.2 GUT Baryogenesis

Grand Unified Theories (GUTs) nduweni tujuan nyawijikake gaya kuat, lemah, lan elektromagnetik ing energi sing banget dhuwur (~1016 GeV). Ing akeh model GUT, bos gauge abot utawa bos Higgs bisa mediasi peluruhan proton utawa proses sing nglanggar nomer baryon. Yen proses iki kedadeyan metu saka keseimbangan termal ing alam semesta awal, bisa, sacara prinsip, nggawe asimetri baryon. Nanging, pelanggaran CP ing kerangka GUT iki kudu cukup gedhe, lan tingkat peluruhan proton sing diprediksi durung diamati ing tingkat sing diarepake, nempatake watesan ing model baryogenesis GUT sing luwih sederhana.

5.3 Leptogenesis

Ing leptogenesis, asimetri antarane lepton lan antilepton digawe dhisik. Asimetri lepton iki banjur sebagian diowahi dadi asimetri baryon liwat proses sphaleron ing era elektrolemah, sing bisa ngowahi lepton dadi baryon. Mekanisme sing populer yaiku:

  1. Mekanisme Seesaw: Kenalake neutrino tengen abot (utawa lepton abot liyane).
  2. Neutrino abot iki bisa ngalami peluruhan liwat proses pelanggaran CP, nggawe asimetri ing sektor lepton.
  3. Transisi sphaleron ngowahi sebagian asimetri lepton iki dadi asimetri baryon.

Leptogenesis menarik amarga nyambungake generasi massa neutrino (sing diamati ing osilasi neutrino) karo asimetri materi-antimateri kosmik. Iki uga ngindhari sawetara watesan sing ngganggu baryogenesis elektrolemah, nggawe dadi pesaing utama ing akeh model fisika anyar.

6. Eksperimen Sing Lumaku lan Arah Masa Depan

6.1 Collider Energi Dhuwur

Eksperimen ing collider kaya Large Hadron Collider (LHC)— utamane eksperimen LHCb—sensitif marang efek pelanggaran CP ing peluruhan meson B, meson D, lan hadron liyane. Kanthi ngukur tingkat pelanggaran CP lan mbandhingake karo prediksi Model Standar, para fisikawan ngarep-arep nemokake ketidaksesuaian sing bisa nuduhake fisika anyar sing ngluwihi Model Standar.

  • LHCb: Spesialisasi ing pangukuran presisi peluruhan langka lan pelanggaran CP ing sektor b-quark.
  • Belle II (ing KEK ing Jepang) lan BaBar sing wis rampung (ing SLAC) uga njelajah pelanggaran CP ing sistem B-meson.

6.2 Eksperimen Neutrino

Eksperimen osilasi neutrino generasi sabanjure kaya DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) ing Amerika Serikat lan Hyper-Kamiokande ing Jepang ngarahake kanggo ngukur fase pelanggaran CP ing matriks PMNS neutrino kanthi presisi dhuwur. Yen neutrino nuduhake efek pelanggaran CP sing gedhe, iku bisa nguatake kasus leptogenesis minangka solusi kanggo ketidakseimbangan materi-antimateri.

6.3 Panelusuran Peluruhan Proton

Yen skenario GUT baryogenesis bener, peluruhan proton bisa dadi petunjuk. Eksperimen kaya Super-Kamiokande (lan mengko Hyper-Kamiokande) netepake wates ketat babagan umur proton kanggo macem-macem saluran peluruhan. Sembarang penemuan peluruhan proton bakal dadi tonggak, menehi petunjuk kuat babagan pelanggaran nomer baryon ing energi dhuwur.

6.4 Panelusuran Axion

Sanajan ora langsung gegandhengan karo baryogenesis ing arti standar, axions (partikel hipotesis sing gegandhengan karo masalah CP kuat) uga bisa nduweni peran ing sejarah termal alam semesta awal lan potensi asimetri materi-antimateri. Panelusuran axion mula tetep dadi bagean penting saka teka-teki iki.

Kesimpulan

Dominasi kosmik materi tinimbang antimateri tetep dadi salah siji pitakonan penting sing durung rampung ing fisika. Model Standar nyedhiyakake kerangka kanggo sawetara pelanggaran CP, nanging ora cukup kanggo nerangake asimetri sing diamati. Ketidaksesuaian iki nuduhake kebutuhan kanggo fisika anyar—bisa ing energi sing luwih dhuwur (umpamane, skala GUT) utawa liwat partikel lan interaksi tambahan sing durung ditemokake.

Sanajan electroweak baryogenesis, GUT baryogenesis, lan leptogenesis kabeh minangka mekanisme sing bisa dipercaya, isih dibutuhake luwih akeh karya eksperimental lan teoretis. Eksperimen presisi dhuwur sing terus dilakoni ing fisika collider, osilasi neutrino, lan panelusuran peluruhan langka—bareng karo observasi astrofisika—terus nguji teori-teori iki. Wangsulan kenapa materi luwih unggul tinimbang antimateri njanjeni ora mung kanggo ngleboni pangerten kita babagan asal-usul alam semesta nanging uga bisa mbukak aspek anyar saka kasunyatan.

Sumber Sing Disaranake lan Wacan Luwih Jero

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Bukti kanggo Peluruhan 2π saka K20 Meson.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Link]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Pelanggaran CP Invariance, Asimetri C, lan Asimetri Baryon saka Alam Semesta.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Sumber data lan ulasan lengkap babagan sifat partikel, pelanggaran CP, lan fisika sajeroning Model Standar.
  4. Riotto, A., & Trodden, M. (1999). “Kemajuan Anyar ing Bariogenesis.” Annual Review of Nuclear and Particle Science, 49, 35–75. [arXiv:hep-ph/9901362]
  5. Dine, M., & Kusenko, A. (2004). “Asal Usul Asimetri Materi-Antimateri.” Reviews of Modern Physics, 76, 1–30. [arXiv:hep-ph/0303065]
  6. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). Jagad Awal. Addison-Wesley. – Teks klasik babagan proses kosmologis, kalebu bariogenesis.
  7. Mukhanov, V. (2005). Dasar Fisik Kosmologi. Cambridge University Press. – Ngliputi inflasi, nukleosintesis, lan bariogenesis kanthi jero.

Karya-karya iki bebarengan nyedhiyakake latar teoretis lan eksperimental sing luwih jero babagan pelanggaran CP, pelanggaran nomer baryon, lan mekanisme potensial kanggo asimetri materi-antimateri kosmologis. Nalika data eksperimental anyar teka, kita saya cedhak kanggo mangsuli salah siji pitakonan paling dhasar babagan jagad raya kita: Napa ana apa-apa tinimbang ora ana apa-apa?

 

← Artikel sadurunge                    Artikel sabanjure →

 

 

Bali menyang ndhuwur

Bali menyang Blog