partikel elementer (moun)

 PARTIKEL ELEMENTER (MUON)

1.1         Sejarah Penemuan Muon

Muon ditemukan oleh Carl D. Anderson pada tahun 1936 sewaktu ia mempelajari radiasi kosmis. Ia menyatakan partikel-partikel yang melengkung dalam suatu cara berbeda dari elektron dan partikel-partikel yang dikenal ketika melewati medan magnetik. Secara khusus, partikel baru ini melengkung menuju derajat yang lebih kecil dibanding elektron, tetapi lebih tajam dibanding proton. Diasumsikan bahwa muatan listriknya sama dengan elektron, dan demikian untuk menghitung perbedaan kelengkungan, itu dianggap bahwa partikel-partikel ini adalah massa menengah (terletak antara elektron dan proton).

Untuk alasan ini, Anderson pada awalnya menyebut partikel baru sebuah mesotron, mengadopsi awalan meson- dari kata Yunani untuk "menegah". Dengan segera setelahnya, partikel tambahan dari massa menegah ditemukan, dan istilah lebih umum meson diadopsi untuk merujuk bagi sembarang partikel demikian. Dipaksa oleh kebutuhan untuk membedakan antara tipe-tipe berbeda dari meson, mesotron dinamai ulang dengan meson mu (dengan huruf Yunani µ (mu) digunakan untuk mengaproksimasi bunyi huruf Latin m).

Akan tetapi, segera ditemukan bahwa mu meson secara signifikan berbeda dari meson yang lain; sebagi contoh, hasil peluruhannya mencangkup neutrino dan antineutrino, ketimbang satu atau yang lain sebagaimana teramati dalam meson yang lain. Jadi mu meson bukanlah meson keseluruhan, dan juga istilah mu meson adalah bebas dan diganti dengan istilah modern muon.

Di pertengahan tahun 1970-an, fisikawan eksperimental memikirkan percobaan menembak neutrino pada target proton. Menurut apa yang kemudian diketahui tentang interaksi lemah, mereka mengharapkan tumbukan untuk mengubah neutrino menuju muon, dan proton menuju bekas peninggalan. Mereka terkejut menemukan dua muon, satu muon negatif dan satu muon positif, dihasilkan dari tumbukan demikian. Ini membangkitkan kesuksesan diskusi teoritik, hingga sebuah kesepakatan muncul pada bagaimana muon positif hadir. Tumbukan proton atau neutrino tak hanya menghasilkan bekas peninggalan proton dan muon negatif, tetapi sebuah kuark pesona, dan kuark dengan segera meluruh menjadi kuark asing, sebuah neutrino muon, dan sebuah muon positif.

Muon adalah yang pertama dari daftar panjang partikel subatomik yang penemuannya pada awalnya digagalkan ahli teoritik yang tak dapat membuat 'hutan' yang membingungkan sesuai ke dalam beberapa skema konseptual yang rapi. Willis Lamb mengklaim bahwa ia telah mendengarnya mengatakan bahwa pada satu titik "penemu partikel elementer baru biasa dianugerahi hadiah Nobel, tetapi penemuan demikian sekarang seharusnya diganjar dengan US Dollar 10.000,-".

Muon (dari huruf mu (μ) digunakan untuk mewakilinya) adalah partikel elementer dengan muatan listrik negatip dan spin ½. Muon memiliki waktu hidup rata-rata 2,2 μs, lebih panjang dibanding sembarang lepton, meson atau baryon tak stabil yang lain kecuali untuk neutron.

Bersama-sama dengan elektron, tau dan neutrino, muon diklasifikasi sebagai lepton. Seperti seluruh partikel fundamental, muon memiliki kawan anti materi bermuatan berlawanan namun bermassa dan berspin sama: antimuon, juga disebut muon positip.  Untuk alasan historis, muon kadang-kadang dirujuk sebagai mu meson, meskipun muon tidak diklasifikasikan sebagai meson oleh fisikawan partikel modern. Muon memiliki massa 105,7 MeV/c2, yang mana 206,7 kali massa elektron. Karena interaksi muon sangat mirip dengan elektron, muon dapat ditinjau sebagai versi yang jauh lebih berat dari elektron. Dikarenakan massa muon yang lebih besar, muon tidak mengemisikan sebanyak radiasi bremsstrahlung; konsekuensinya, mereka jauh lebih menembus dibanding elektron. Sebagaimana kasus lepton bermuatan yang lain, terdapat neutrino-muon yang memiliki flavor yang sama sebagaimana muon. Neutrino-muon dinyatakan oleh νμ.

1.2     Pengertian Muon

Dalam model standar fisika partikel, muon (dari kata Yunani huruf mu digunakan untuk mewakilinya) adalah sebuah partikel fundamental semi stabil dengan muatan listrik negatip dan spin ½. Bersama-sama dengan elektron, tauon dan neutrino, ini dikelompokkan sebagai bagian keluarga lepton dari fermion. Seperti seluruh partikel fundamental, muon memiliki pasangan antimateri bermuatan berlawanan tetapi memiliki massa dan spin yang sama antimuon.

Pada umumnya sebagian besar partikel-partikel yang dihasilkan dalam sinar kosmik tersebut adalah partikel elemen lain yang disebut sebagai MUON. Muon adalah partikel elemen yang bermuatan negatip seperti halnya elektron, tetapi muon memiliki massa yang jauh lebih besar dari elektron. Berdasarkan hasil penelitian muon memiliki massa sekitar 200 kali lebih besar dari massa elektron.

Untuk alasan historis, muon kadang-kadang dirujuk sebagai mu meson, meskipun mereka tidak dikelompokkan sebagai meson oleh fisikawan partikel modern. Muon memiliki massa 207 kali massa elektron. Karena interaksi mereka adalah serupa dengan elektron, muon dapat seringkali dipikirkan sebagai elektron berat secara ekstrem.

Di bumi, muon diciptakan ketika pion bermuatan meluruh. Pion diciptakan di atmosfer atas oleh radiasi kosmis dan memiliki waktu peluruhan yang sangat pendek beberapa nanodetik. Muon tercipta ketika peluruhan pion juga hidup pendek waktu peluruhan mereka adalah 2,2 mikrodetik. Akan tetapi muon di atmosfer bergerak dengan kecepatan yang sangat tinggi, sehingga efek dilasi waktu dari relativitas khusus membuat mereka menjadi mudah dideteksi pada permukaan bumi.

Sebagaimana dengan kasus lepton bermuatan lain, terdapat muon-neutrino yang memiliki flavor yang sama seperti muon. Muon secara alami meluruh menjadi sebuah elektron, sebuah elektron-antineutrino, dan sebuah muon-neutrino.

Muon adalah partikel elementer pertama yang ditemukan yang tidak muncul dalam atom biasa. Muon negatif dapat, bagaimana pun, membentuk atom muonik dengan menggantikan elektron dalam atom biasa. Atom muonik adalah jauh lebih kecil dibanding atom sejenis karena, untuk mengekalkan momentum anguler, muon yang lebih masif harus lebih dekat ke inti atom dibanding pasangan elektron yang kurang masih.

Muon positif, ketika dihentikan dalam materi biasa, dapat juga mengikat sebuah elektron dan membentuk atom muonium (Mu), dimana muon beraksi sebagai inti. Massa tereduksi dari muonium, yakni jari-jari Bohrnya, adalah sangat dekat ke hidrogen, oleh karenanya atom berumur pendek ini berperilaku secara kimiawi - dalam aproksimasi pertama - seperti isotopnya yang lebih berat, hidrogen, deuterium dan tritium.

1.3     Sumber Partikel Elementer

Saat kini kita mengenal tiga sumber besar penghasil berbagai partikel elementer antara lain sinar kosmik, reaktor nuklir dan pemercepat partikel.  Angkasa bumi pada dasarnya mengalami pembombandiran oleh partikel yang berenergi tinggi misalnya proton yang berasal dari luar angkasa. Ketika partikel-partikel yang berenergi tinggi tersebut bertubrukkan dengan atom-atom pada bagian lapisan udara terluar akan dihasilkan hujan partikel (karena berbentuk seperti hujan). Sumber partikel seperti ini disebut sebagai SINAR KOSMIK. Pada umumnya sebagian besar partikel-partikel yang dihasilkan dalam sinar kosmik tersebut adalah partikel elemen lain yang disebut sebagai MUON. Muon adalah partikel elemen yang bermuatan negatip seperti halnya elektron, tetapi muon memiliki massa yang jauh lebih besar dari elektron. Berdasarkan hasil penelitian muon memiliki massa sekitar 200 kali lebih besar dari massa elektron.

Reaktor nuklir dewasa ini dapat menghasilkan berbagai jenis partikel misalnya dengan cara meluruhkan zat yang bersifat radioaktif.

Pemercepat partikel merupakan suatu rangkaian peralatan yang dapat menaikkan kecepatan partikel saat bergerak. Salah satu cara untuk mempercepat partikel adalah dengan menginjeksikan energi dan mengatur besarnya elektromagnetik yang dipergunakan pada berkas partikel sehingga partikel dapat mencapai energi kinetik yang diharapkan dalam pergerakkannya. Saat sekarang telah dapat dihasilkan berbagai berkas sinar partikel misalnya berkas sinar positron, berkas sinar antiproton, berkas sinar muon dan lain-lain.

Beberapa pemercepat partikel terbesar dunia yang masih aktip dan masih menghasilkan data penelitian sampai sekarang antara lain:

Ø  Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), California, USA.

Ø  Cornell Electron Synchrotron (CLEO), New York, USA.

Ø  The Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), Virginia, USA.

Ø  National Laboratory for High Energy Physics (Koh-Ene-Ken) (KEK), Ibaraki, Jepang.

Ø  Conseil Europeen puor la Recherche Nucleaire (CERN), Geneva, Switzerland.

Ø  Deutches Elektromen Synchrotron (DESY), Hamburg, Jerman.

Ø  Serpukhov Proton Synchrotron, Sepukhov, Russia

1.4     Aplikasi Muon Dalam Kehidupan

Beberapa contoh teknologi dan terobosan  muon dalam kehidupan tersebut adalah:  

1. Teknologi magnet superkonduktor. Dalam eksperimen fisika partikel, diperlukan medan magnet yang sangat kuat, sebesar beberapa Tesla yang harus beroperasi pada jangka waktu lama. Tidaklah mungkin mencapai medan magnet sebesar itu dengan elektromagnet biasa: energi yang didisipasi dalam kumparan kawat elektromagnet solenoid atau toroid akan sangat besar sehingga kawat elektromagnet akan meleleh. Sehingga diperlukan magnet yang beroperasi pada kondisi superkonduktor. Fisikawan partikel eksperimen melakukan penelitian dan pengembangan teknologi magnet superkonduktor, namun teknologi magnet superkonduktor yang dihasilkan tidak hanya digunakan oleh fisika partikel. Teknologi magnet superkonduktor merupakan komponen utama dalam alat pencitraan resonansi magnet (MRI = magnetic resonance imaging) yang sekarang banyak terdapat di rumah sakit modern. Tanpa tersedianya teknologi magnet superkonduktor yang murah dan handal, sulit dibayangkan teknologi MRI bisa tersedia secara massal dan murah.
2. Teknologi pencitraan medis dengan positron (Positron Emission Tomography). Positron merupakan antipartikel dari elektron, dan keberadaan positron diprediksi dari teori-teori fisika partikel pada awal abad ke-20. Aplikasi positron adalah dalam pencitraan medis: Sebuah positron yang bertemu dengan elektron akan saling menghilangkan (anihilasi). Dalam teknologi PET, isotop nuklir yang meluruh dengan memancarkan positron diinjeksikan ke dalam tubuh pasien. Positron yang dipancarkan oleh isotop akan bertemu dengan elektron (yang praktis terdapat dimana-mana) dan akan saling teranihilasi menjadi dua foton (partikel kuantum cahaya) dengan energi masing-masing 511 MeV. Sinyal berupa dua foton dengan energi yang akurat pada 511 MeV merupakan sinyal yang unik dan dapat dideteksi oleh detektor.Hasil deteksi kemudian diolah dengan teknologi pencitraan untuk mendiagnosa lokasi dan ukuran jaringan kanker dalam tubuh pasien.
3. Teknologi terapi kanker dengan hadron. Hadron merupakan salah satu klasifikasi partikel, dan saat ini teknologi terapi medis dengan menggunakan hadron (proton, antiproton, dan inti atom karbon) sudah mulai dikembangkan. Teknologi terapi ini memerlukan sumber hadron yang dapat dikontrol dengan akurat, dan teknologi untuk sumber hadron tersebut tersedia dari teknologi fisika partikel eksperimen.
4. Teknologi akselerator / pemercepat partikel. Akselerator digunakan tidak hanya untuk eksperimen fisika partikel, namun juga untuk terapi medis, dan industri. Untuk terapi medis dengan proton atau antiproton, akselerator digunakan untuk mempercepat proton untuk memproduksi berkas proton berenergi tinggi untuk terapi kanker. Akselerator juga digunakan untuk memproduksi sinar X energi tinggi dan radiasi sinkroton (light source). Sinar X energi tinggi dan radiasi sinkroton digunakan untuk studi struktur material, mikroelektronika, teknologi nano, dan struktur DNA/protein. Akselerator juga merupakan komponen kunci untuk teknologi terapi dengan hadron yang dibahas sebelumnya. Beberapa laboratorium fisika partikel saat ini seperti Fermilab dan DESY sudah memiliki unit kerja untuk terapi kanker dengan menggunakan teknologi dan keahlian dari fisika partikel eksperimen.
5. Teknologi detektor partikel elementer untuk pencitraan medis. Detektor fisika partikel pada dasarnya adalah detektor radiasi/foton. Di CERN (Conseil Européene pour la Recherche Nucléaire) dan Fermilab, pusat penelitian fisika partikel tempat saya bekerj, ada beberapa laboratorium yang khusus meneliti dan menerapkan teknologi detektor partikel untuk fisika medis dan pencitraan medis. Salah satu lembaga internasional yang aktif mengembangkan teknologi ini adalah Tera Foundation yang didirikan oleh fisikawan-fisikawan dari CERN, dan memiliki kerja sama yang sangat aktif dengan CERN.

Teknologi komputasi grid. Pemrosesan data fisika partikel eksperimen memerlukan sumber daya komputer yang sangat besar. Untuk memenuhi tantangan ini, fisikawan partikel eksperimen dan ilmuwan bidang informatika/ilmu komputer bekerja sama mengembangkan teknologi komputasi grid. Komputasi grid adalah teknik komputasi yang menggunakan banyak sekali komputer yang terdistribusi di seluruh pelosok dunia dan terhubung melalui jaringan Internet. Teknologi komputasi grid ini juga berkembang dan digunakan untuk aplikasi-aplikasi lain seperti simulasi ramalan cuaca, perhitungan struktur dan dinamika pesawat terbang, maupun simulasi proses-proses dalam DNA.