Tahun 2013 merupakan hari gembira Peter Higgs dan Francois
Englert kerana dianugerahkan Hadiah Nobel (Fizik) dengan penemuan secara
teoritika bagi mekanisma yang menyumbang kepada kefahaman tentang asalan
sesuatu jisim zarah subatomik dan telah disahkan melalui secara ujikaji oleh
kumpulan penyelidik ATLAS dan CMS di Pelanggar Hadron Gergasi CERN. Penemuan
tersebut menjawab persoalan asas fizik, iaitu Apa itu Jisim dan merupakan
antara penemuan terunggul didalam fizik . Oleh itu makalah ini akan
membincangkan penemuan unggul dalam fundamental fizik dan disahkan secara
eksperimen. Dengan kata lain, bukan sahaja usaha LHC untuk menjawab beberapa
persoalan fizik tentang tabii alam. Makalah ini bermula dengan perbincangan
keluarga kuark (4 kuark), jirim gelap, zarah Majorana dan perbincangan
kewujudan zarah neutrino kosmik.
Keluarga Baru Kuark
Kumpulan fizik tenaga tinggi antarabangsa terdiri daripada
pakatan Beijing Spectrometer (BESIII) telah zarah subatomik yang dikenali
sebagai Zc(4020) adalah merupakan isyarat kepada kewujudan keluarga baru kuark
selepas penemuan zarah Zc(3900). Seperti yang kita sedia maklum, zarah kuark tidak
boleh beraksi secara bebas, tetapi terikat bersama dalam kumpulan berdua
(meson) atau bertiga (hadron).
Rajah 1: Pengesan BESIII
Rajah 1: Pengesan BESIII
Pakatan BESIII menggunakan kaedah yang dipakai oleh
Pelanggar Positron Elektron Beijing (BEPCII) di China, mereka telah melaraskan
tenaga di mana elektron dan positron termusnah pada 4260MeV iaitu sepadan
dengan zarah Y(4260), begitu juga dalam hal ini untuk menghasil secara langsung
dan mengumpul sampel yang banyak bagi zarah yang terhasil atau mereput itu.
Rajah 2: Dari
kiri: Zarah Pion terdiri daripada dua kuark (meson), zarah proton terdiri
daripada tiga kuark (baryon) dan zarah Zc(3900) terdiri daripada empar kuark.
Rujukan: Guo et al 2013. Production of charged heavy quarkonium-like states at the LHC and the Tevatron http://arxiv.org/pdf/1308.0193.pdf
Jirim Gelap
Jirim gelap ialah sejenis jirim yang diramalkan dalam
kosmologi bagi memerihalkan tentang sebahagian jisim yang hilang dalam alam
semesta ini. Jirim gelap tidak boleh dikesan secara langsung, ia tidak
memancarkan cahaya malahan ia sejenis jisim lemah berinteraksi (Weakly
Interacting Massive Particle - WIMP). Tetapi kewujudannya dikesan melalui kesan
pembelokan cahaya oleh graviti jirim gelap itu.
Oleh kerana jirim
gelap sukar dikesan maka Large Underground Xenon (LUX) beroperasi dengan
mengandungi 370kg cecair xenon di mana zarah berinteraksi yang akan menjana
175nm foton UV dan elektron, di mana foton tersebut dikesan langsung oleh 61
pengganda foto (photomultiplier) yang diletakkan
pada atas dan bawah pengesan.
Rajah 3: Ujikaji LUX
Teori dan keputusan eksperimen mencadangkan zarah tersebut
mestilah sama ada dalam bentuk jisim tinggi atau jisim rendah. Oleh itu
pencarian zarah yang jisim tinggi yang
beratnya 40kali ganda daripada proton, LUX perlulah mempunyai dua kali
sensitiviti. Meskipun demikian, LUX juga menaik tarafkan sensitivitinya untuk
pencarian zarah yang rendah. Keputusan
pada April 2013 menunjukkan jirim gelap mempunyai hayat 85.3 hari dengan
membenarkan kebolehpercayaan mencapai 90% pada jisim zarah 33 GeV/c2.
Rajah 4: Gambar keseluruhan pengesan LUX dipasang dalam Davis
Cavern.
Pakatan saintifik LUX terdiri daripada 17 penyelidik
universiti dan makmal kebangsaan dari Amerika Syarikat, UK, Portugis dan Rusia.
Ujikaji ini bertempat di bawah tanah di South Dakota. Ini kerana ujikaji perlu
beroperasi di bawah tanah bagi mengurangkan hingar daripada sinaran kosmik
bertenaga ting pada permukaan bumi.
Rujukan: LUX
Colloboration. 2013. First results from the LUX dark matter experiment at the
Sanford Underground Research Facility. http://arxiv.org/abs/1310.8214
Zarah Majorana
Rajah 5: Ujikaji GERDA diusulkan pada 2004 menggunakan pengesan Germanium-76.
Ahli fizik daripada Pakatan GERDA (Germanium Detector Array)
di Makmal Kebangsaan Gran Sasso INFN Itali mengatakan bahawa mereka telah
menemui bukti akan kewujudan "Zarah fermion Majorana" iaitu zarah yang anti zarah-zarah mereka
sendiri. Seperti yang kita sedia maklum, tiada zarah fermion yang diketahui
mempunyai antizarahnya sendiri, meskipun secara semulajadi neutrino tidak
diselesaikan dan berkemungkina ia adalah fermion Majorana.
Isyarat yang dicari oleh Pakatan GERDA iaitu pereputan dalam 0vββ dalam pengesan Germanium-76 (pengesan HPGe). Di dalam menggunakan tetingkap 4eV sekitar 0vββ dengan nilai Q sekitar 2039keV. Pencarian 0vββ akan menstabilkan kefahama tentang neutrino zarah Majorana yang mana ia menunjukkan pencabulan keabadian nombor lepton disamping itu juga memberikan penjelasan mengenai kenapa zarah neutrino tersangat kecil.
Isyarat yang dicari oleh Pakatan GERDA iaitu pereputan dalam 0vββ dalam pengesan Germanium-76 (pengesan HPGe). Di dalam menggunakan tetingkap 4eV sekitar 0vββ dengan nilai Q sekitar 2039keV. Pencarian 0vββ akan menstabilkan kefahama tentang neutrino zarah Majorana yang mana ia menunjukkan pencabulan keabadian nombor lepton disamping itu juga memberikan penjelasan mengenai kenapa zarah neutrino tersangat kecil.
Rajah 6: (a) Rajah Feynman, menunjukkan pereputan zarah elektron
(beta) daripada jisim neutrino Majorana berkesan (mv)ee.
(b) Mekanisme operasi
dalam pengesan Germanium
(c) Isyaraat ββ0v
yang dicari dalam pengesanan Gerda.
Penemuan itu juga bersetuju dengan lebih banyak kerja
baru-baru ini teori bahawa zarah itu boleh berada dalam peranti keadaan pepejal
. Kelak ia boleh menjadi perkara penting bagi pembangunan komputer kuantum
kerana Majorana fermions - tidak seperti zarah fermion " Dirac " yang
biasa, seperti elektron - mematuhi statistik yang tidak Abelian dan sewajarnya
harus rintang hingar persekitaran.
Rujukan: Pakatan GERDA. Results on neutrinoless double beta decay of 76Ge from GERDA Phase I http://arxiv.org/abs/1307.4720
Kehadiran Neutrino Kosmik
Pada November 2013 Pakatan IceCube mengumumkan bahawa Balai Cerap Neutrino IceCube telah mengesan 28 neutrino yang merupakan asalan daripada luar Sistem Suria. Pakatan tersebut yang merupakan sebahagian daripada projek Universiti Wisconsin-Madison dengan beberapa pakatan membina balai cerap tersebut pada Disember 2010, terletak di Pusat Penyelidikan Amundsen-Scott di Kutub Selatan, terdiri daripada 86 kabel, setiap satu daripadanya mempunyai 2.5km panjang. Setiap kabel tersebut diletakkan bersama berdozen-dozen tiub foto pengganda (photomultiplier tube) untuk mengesan kehadiran sinaran Cherenkov terhasil daripada kesan tidak langsung apabila neutrion berlanggar dengan hidrogen dan oksigen dalam ais.
Neutrino merupakan lepton yang
bercas neutral dan agak sukar berinteraksi dengan jirim. Apabila neutrino
berinteraksi dengan molekul dalam air ia akan menghasilkan lepton bercas yang
terdiri daripada elektron, muon dan tau. Zarah-zarah tersebut (elektron, muon
dan tau) sangat tinggi tenaganya akan memancarkan sinaran Cherenkov (fenomen
ini berlaku jika zarah tersebut lebih laju daripada cahaya dalam medium tersebut).
Sinaran tersebut akan dikesan oleh tiub
pengganda foto tersebut. IceCube sangat sensitif terhadap neutrino bertenaga
tinggi dalam julat 1011 sehingga 1021eV.
Dianggarkan bahawa neutrino
berlaku setiap 20minit dalam pengesan IceCube. Teteapi pakatan tersebut mengira
26 peristiwa (events) dengan tenaga sekurang-kurangnya 3x1013 eV. Tambahan lagi,
mereka mengira terdapat 11 daripada 28 peristiwa yang serupa adalah disebabkan
oleh neutrino atau muon dari atmosfera. Keputusan ini memberikan
kebolehpercayaan 4-sigma (4σ) untuk
pengesanan neutrino kosmik, ini bermaksud bahawa hanya satu daripada 15000
peluang peristiwa itu boleh dijelaskan melalui fenomena atmosfera tulen. Ini
merupakan bukti yang pertama bahawa bukan daripada atmosfera tapi daripada
kosmik.
Rajah 8: Proses pembinaan pengesan IceCube
Rujukan: Pakatan IceCube. Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos
at the IceCube Detector. http://arxiv.org/pdf/1311.5238v2.pdf
Kesimpulan
Beberapa penemuan fizik unggul telah dibincangkan dalam
makalah ini. Bermula daripada perbincangan berskala mikroskopik (famili kuark) sehinggalah kepada berskala
kosmik (penemuan zarah neutrino luar angkasa). Inilah yang mampu penulis
rungkai, memandangkan terdapat beberapa penemuan fizik yang penulis rasakan
untuk ditatapi bersama seperti penemuan isyarat kuno daripada Teleskop Planck
dan pewapcairan Bose-Einstein dengan menggunakan penyejukan laser. Apapun
penulisan ini diharapkan dapat menimbulkan pembaca untuk terarah kepada
usaha-usaha tersebut.
Wallahu a'lam
1 Januari 2014 (Rabu)
28 Safar 1435
Wallahu a'lam
1 Januari 2014 (Rabu)
28 Safar 1435