MAKALAH

KOSMOLOGI (PARTIKEL DALAM ALAM SEMESTA)

Disusun untuk memenuhi Tugas Mata Kuliah Fisika Inti

Oleh :

1. Kevin Maulana Krishna (4211411053)

2. Tri Susanti (4211411054)

3. Andi Firmansah (4211411056)

FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

2014

BAB I

PENDAHULUAN

Sebagaimana ditulis oleh Krane (1992), setiap kemajuan baru di dalam pemahaman

jagad raya ternyata semakin memperkecil peran kita di dalamnya. Walaupun demikian, setiap

kemajuan ini selalu menimbulkan rasa kekaguman baru. Astronomi abad ke tujuh belas

mengungkapkan fakta bahwa bumi bukanlah pusat tata surya melainkan salah satu dari

beberapa planet yang mengitari matahari. Pada abad ke sembilan belas, para astronom

mengarahkan teleskopnya ke bintang-bintang dan menggunakan peralatan spektroskopi yang

dikembangkan untuk mengukur berbagai panjang gelombang cahaya bintang. Ditemukan

fakta bahwa matahari kita ternyata hanya sebuah bintang biasa yang kedudukannya tidaklah

istimewa dalam skala galaksi. Matahari kita ternyata adalah satu dari sekitar 1011 bintang

dalam galaksi kita yang dikenal dengan nama galaksi Bima Sakti.

Dari teleskop para astronom, terungkap pula beberapa objek aneh seperti gumpalan

nebula redup yaitu sepotong cahaya lebar yang melebihi ukuran bintang. Beberapa nebula ini

kemudian dapat disimpulkan sebagai kabut gas dalam galaksi, yang dapat menyatakan materi

baru dari mana bintang dibentuk, atau sisa dari bintang yang mengakhiri hidupnya dengan

ledakan dahsyat. Selain itu diperoleh pula nebula yang agak redup. Namun hal ini masih

menimbulkan pertanyaan, bagaimana sebenarnya hakikat nebula yang agak redup ini.

Kepastian tentang pertanyaan ini hanya dapat terpecahkan bila cahaya semua objek redup

dapat dipisahkan menjadi bintang-bintang tunggal. Hal ini adalah persoalan eksperimental

yang amat sulit, karena memerlukan pencahayaan sebuah pelat foto sepanjang malam, pada

saat mana para astronom bergulat dalam kedinginan malam di atas puncak gunung untuk

menjaga fokus teleskopnya tetap mengarah ke nebula, sebagai akibat rotasi bumi dan

perubahan suhu yang menyebabkan perubahan ukuran teleskop. Pada tahun 1920-an, Edwin

Hubble berhasil memisahkan cahaya berbagai bintang dalam galaksi tetangga kita, serta

menyimpulkan ukuran, kecemerlangan dan jaraknya dari kita.

Semakin banyak nebula dan galaksi yang ditemukan, semakin pula kedudukan kita di

jagad raya. Matahari kita tidak saja hanya satu dari sekitar 1011 bintang dalam galaksi Bima

Sakti, melainkan mungkin galaksi Bima Sakti sendiri merupakan satu di antara 1011 galaksi

yang ada di jagad raya.

Pengamatan Hubble juga menghasilkan pernyataan yang menarik : setiap galaksi

bergerak menjauhi kita (dan menjauhi yang lainnya) dengan kelajuan yang amat tinggi.

Semakin jauh sebuah galaksi dari kita, semakin tinggi lajunya. Kesimpulan mengesankan ini

akan menuntun kita ke model standar jagad raya beserta asal usulnya. Jika semua galaksi

bergerak saling menjauhi, maka mereka sebelumnya tentulah berdekatan. Jika kita kembali

cukup jauh ke masa lampau, semua materi tentulah berasal dari sebuah titik singularitas

berkerapatan takhingga yang mengalami ledakan dahsyat. Peristiwa itu dikenal sebagai Big

Bang (Ledakan Besar).

Informasi yang lebih menghebohkan datang menyusul. Pada tahun 1965, dua

astronom yang bernama Arno Penzias dan Robert Wilson menemukan pijaran radiasi latar

belakang gelombang mikro dari sisa-sisa ledakan besar yang mengisi seluruh jagad raya dan

terus menghujami bumi, meskipun telah mengalami pendinginan selama kurang lebih 15

milyar tahun. Karya eksperimental yang telah dirintis oleh Hubble, Penzias dan Wilson

merupakan landasan untuk berspekulasi mengenai asal mula, evolusi dan masa depan jagad

raya. Semua teori ini termasuk dalam bidang kajian kosmologi yang berasaskan pada teori

relativitas umum dengan paduan bidang astronomi, fisika partikel, fisika statistik,

termodinamika dan elektrodinamika. (Krane, 1992)

Di dalam jagad raya paling tidak terdapat empat jenis interaksi dasar (mungkin dapat

ditambah satu lagi yaitu interaksi maha lemah atau superweak). Keempat interaksi tersebut

masing-masing adalah interaksi kuat, lemah, elektromagnetik dan gravitasi. Interaksi

elektromagnetik (EM) bermediator foton dan berjangkauan jauh terjalin antara zarah-zarah

bermuatan listrik dan/atau bermomen magnet dan berlangsung secara makro dan mikro dalam

atom inti dan zarah elementer.

Pada materi massif seperti bintang dan galaksi, muatan mereka praktis netral sehingga

interaksi elektromagnetik tak bekerja pada struktur skala besar jagad raya. Pada pada skala

ini, hanya interaksi gravitasi saja yang bekerja. Oleh karena itu hukum gravitasi Einstein

yang didasarkan pada teori relativitas umum akan sanggup memberikan gambaran jagad raya

secara komprehensif, baik secara kualitatif maupun kuantitatif. Teori Gravitasi Einstein

sendiri mampu meramalkan beberapa fenomena di jagad raya dengan ketelitian tinggi. Teori

ini adalah teori yang menyempurnakan teori gravitasi Newton. Beberapa fenomena di jagad

raya yang terbuktikan.

BAB II

ISI

Partikel Pembentuk Alam Semesta

Alam semesta ini pada hakikatnya merupakan kumpulan atom-atom. Suatu atom

tersusun dari inti atom, yaitu proton-neutron dan elektron-elektron (partikel bermuatan

negatif yang mengeliligi inti atom). Pada awalnya, proton dan neutron dianggap merupakan

partikel dasar, namun eksperimen-ekseperimen yang melibatkan tumbukan antar proton atau

proton dengan elektron dengan kecepatan tinggi menunjukkan bahwa partikel-partikel

tersebut tersusun dari partikel partikel yang lebih kecil. Partikel-partikel tersebut disebut

Quark oleh fisikawan dari Institut Teknologi California bernama Murray Gell Mann yang

memenangkan hadiah nobel pada tahun 1969.

Quark memiliki ukuran yang sangat menakjubakan, yaitu 10-18m

(0,000000000000000001) meter. Quark jauh lebih kecil dari panjang gelombang cahaya

tampak sehingga tidak akan memiliki warna dalam keadaan yang sebenarnya. Proton dan

neutron terdiri dari tiga quark dengan warna yang berbeda. Proton terdiri atas dua quark up

dan satu quark down, sedangkan neutron tersusun dari dua quark down dan satu quark up.

Sementara elektron adalah partikel-partikel kecil, berukuran hampir seperdua ribu ukuran

neutron dan proton. Sebuah atom mempunyai jumlah elektron dan proton yang sama dan

setiap elektron bermuatan negatif yang setara dengan muatan posistif yang dikandung tiap

proton. Total muatan positif pada inti dan total muatan negatif pada elektron saling

meniadakan dan atom menjadi netral. Partikel-partikel ini tidak bekerja sendiri, akan tetapi ia

bekerja dengan berinterksi dengan partikel pembawa forsa atau gaya yang dikelompokkan

menjadi empat gaya menurut gaya yang terbawa, yaitu, gaya gravitasi, gaya elektromagnetik,

gaya nuklir lemah, dan yang terakhir gaya nuklir kuat.

Untuk menguraikan proton dan neutron menjadi quark-quark, diperlukan energi satu

milyar eV, yang setara dengan suhu 1013K (sepuluh triliun derajat), yaitu suhu alam semesta

ketika berusia 10-6 detik (sepersejuta detik sesudah waktu Nol). Jadi proton dan neutron baru

tercipta ketika alam semesta berusia 10-6 detik. Sebelum itu, alam semesta hanya berupa

kumpulan quark-quark dan lepton-lepton. Yang dimaksudkan dengan lepton adalah partikel-

partikel yang sangat ringan (massa sangat kecil), yaitu elektron beserta “saudara saudaranya”.

Perbedaan utama antara quark dan lepton adalah jenis interaksi yang bekerja pada mereka.

Quark mengalami interaksi gaya kuat dan gaya lemah, lepton hanya mengalami interaksi

gaya lemah dan tidak mengalami interaksi gaya kuat.

partikel cahaya yaitu foton, neutrino, antipartikelnya yaitu antineutrino, serta sejumlah

kecil neutron dan proton. Mereka semua berada dalam temperatur yang sama (para ilmuwan

biasa menyebutnya berada dalam kesetimbangan termal). Dalam keadaan ini, penghancuran

dan pembentukan partikel-partikel tersebut atau yang menghasilkan partikel lain berlangsung

seimbang. Kemudian, ketika usia kosmik mencapai sekira 0,74 detik setelah big bang,

temperatur alam semesta menurun menjadi sekira 10 miliar Kelvin. Saat itulah temperatur

neutrino dan antineutrino mulai berbeda dengan partikel yang lain. Pada temperatur sekira

itulah neutron meluruh menjadi proton dan partikel lain, sehingga jumlah proton menjadi

lebih banyak daripada neutron dibandingkan sebelumnya.

Selanjutnya, temperatur alam semesta terus menurun hingga mencapai beberapa

miliar Kelvin. Pada saat usia kosmik sekira 4,12 detik setelah big bang, reaksi elektron dan

positron memperlambat penurunan temperatur alam semesta dan menyisakan sejumlah kecil

elektron. Neutron pun terus meluruh menjadi proton. Selain itu pembentukan inti helium-4

dari neutron dan proton menjadi lebih banyak daripada penghancurannya.

Ada tiga contoh rantai reaksi pembentukan inti helium-4 ini. Pertama, neutron dan

proton bereaksi membentuk deuterium. Selanjutnya deuterium ini bereaksi dengan deuterium

membentuk tritium dan proton. Kemudian tritium bereaksi dengan deuterium untuk

membentuk helium-4 dan neutron. Kedua, neutron dan proton bereaksi membentuk

deuterium. Lalu deuterium bereaksi dengan deuterium membentuk helium-3 dan neutron.

Lalu helium-3 bereaksi dengan deuterium menghasilkan helium-4 dan proton. Proton dan

neutron yang dihasilkan pada kedua rantai reaksi ini dapat digunakan lagi pada reaksi lain.

Ketiga, neutron dan proton bereaksi membentuk deuterium. Lalu deuterium bereaksi dengan

deuterium membentuk helium-4 dan foton. Selain reaksi-reaksi tersebut ada juga reaksi-

reaksi lain, misalnya yang mengakibatkan terbentuknya lithium-7.

Suhu rata rata alam semesta sekarang adalah tiga derajat Kelvin. Di masa silam, suhu

alam semesta rata-rata bersuhu 104K pada saat 500.000 tahun sesudah waktu Nol. Jadi, atom

baru tercipta ketika alam semesta berusia sekitar 500.000 tahun. Sebelum itu, alam semesta

merupakan kumpulan-kumpulan inti atom dan elektron elektron, yang belum mampu

bergabung membentuk atom, sebab suhu masih terlalu tinggi.

Para pionir dalam bidang ini adalah Gamow, Alpher, dan Herman yang

mempublikasikan prediksi mereka pada era 1940-an dan 1950-an. Kerja mereka ini

dilanjutkan ilmuwan lain dengan perhitungan yang lebih mendetail.

Sampai sekarang, tingkat akurasi perhitungan tersebut sangat tinggi, dengan

kemungkinan kesalahan sekira 1aja. Kelimpahan unsur-unsur ringan yang mereka perkirakan

adalah dalam sepuluh miliar inti atom hidrogen, ada ratusan ribu deuterium, ratusan ribu

helium-3, dan beberapa lithium-7 yang berasal dari big bang nucleosynthesis. Sedangkan

untuk helium-4 adalah sekira 24ari total materi biasa yang ada di alam semesta ini.

Era Atom

Terbentuknya inti hidrogen dan helium menandai kemunculan era baru yang

dinamakan era atom. Pada era ini, yang berlangsung dari tahun ke 380.000 hingga tahun ke

1.000.000.000, suhu alam semesta telah memungkinkan bagi terbentuknya inti atom dengan

jumlah proton-neutron yang lebih banyak. Semakin turunnya suhu dan kerapatan alam

semesta, pada gilirannya memungkinkan inti-inti yang terbentuk menangkap elektron dan

membentuk atom yang stabil. Pada era ini, unsur-unsur ringan di alam semesta yang kita

kenal saat ini sebagian besar telah terbentuk.

Era Bintang dan Galaksi

Akhirnya, setelah era atom berakhir, maka dimulailah era bintang dan galaksi.Era ini

dimulai pada tahun ke 1.000.000.000 setelah “ledakan besar”. Gaya gravitasi, yang

merupakan perwujudan dari kelengkungan ruang-waktu akibat kehadiran massa, mulai

berperan secara signifikan seiring dengan kondisi alam semesta yang telah mencapai suhu

rata-rata sama dengan suhu yang terdeteksi saat ini, tetapi dengan volume yang terus

berkembang. Peranan gravitasi yang dominan mengakibatkan atom-atom berkumpul

membentuk bintang dan galaksi. Pembentukan dimulai dari objek yang paling kecil seperti

bintang dan kemudian menjadi yang paling besar seperti gugus galaksi. Berdasarkan

observasi melalui teleskop Hubble, hingga saat ini objek langit yang paling jauh dan paling

tua yang bisa diamati adalah quasar dengan

usia sekitar 13 milyar tahun. Angka ini

ditenggarai juga sebagai usia alam semesta.

Berdasarkan angka tersebut pula,

diperkirakan jari-jari alam semesta adalah

sekitar 1026 meter. Quasar adalah objek

langit yang memiliki ukuran sebesar bintang

tetapi memiliki kecerlangan sebuah galaksi.

Partikel Higgs boson

Dalam jagat raya kita terdapat kevakuman (ruang-waktu) yang luar biasa luas, yang

dinamakan “cosmic voids”, tapi berisi energi dan berbagai medan gaya. Karena materi dalam

jagat raya ini punya massa (juga ada partikel yang nyaris tak memiliki massa), pastilah ada

suatu “faktor” yang menyebabkan massa bisa ada di dalam kevakuman kosmik yang berisi

energi itu. Maka diteorikan oleh Peter Higgs di tahun 1964, bahwa haruslah ada medan Higgs

dan partikel Higgs boson, yang memberi massa pada materi. Tanpa Higgs boson, partikel-

partikel fundamental akan tercerai berai sehingga materi tak akan terbentuk dan jaga raya,

karenanya, tak akan pernah ada. 

Higgs boson mempersatukan partikel-partikel sehingga kohesif, alhasil massa

terbentuk, dua materi menjadi ada. Metaforanya begini: Higgs boson itu seperti sebuah

magnit yang sangat kuat, sehingga menarik dan menyatukan semua jarum yang semula

tercerai-berai. Sejak diteorikan 50 tahun lalu, para fisikawan memburu partikel Higgs boson

minimal di atas kertas dalam perhitungan matematis, dan ketika LHC sudah dibangun,

perburuan dimungkinkan secara empiris. Dengan membenturkan dua proton di dalam LHC,

sebuah partikel Higgs boson dihasilkan. 

Contoh data yang disimulasikan di CERN:

tabrakan antara dua proton menghasilkan partikel Higgs boson

Setelah keberadaan Higgs boson dikonfirmasi (Juli 2012), para fisikawan pun mulai

memikirkan dalam-dalam akibat penemuan ini pada bidang-bidang kajian sains lain,

khususnya kosmologi. Ternyata akibat adanya partikel Higgs boson dan diketahuinya besar

massanya dan berbagai sifatnya, kosmologi kembali menjadi fokus.

Higgs boson itu adalah sebuah partikel subatomik, ada di dalam ruang atom dalam

dunia mikrokosmik yang dinamakan dunia mekanika quantum. Tetapi penemuan partikel

Higgs membawa orang ke dunia maha luas, jagat raya kita, bidang kajian kosmologi

Kevakuman jagat raya, yang senantiasa berisi energi. Vakum jagat raya dapat berada

pada kondisi-kondisi dengan besaran energi yang berlainan, tak sama dari satu ruang vakum

ke ruang vakum lainnya. Jagat raya berada pada kondisi paling stabil jika energinya (yang

ekuivalen dengan massa) berada pada kondisi paling rendah, yang tidak menimbulkan

fluktuasi.  Dalam kevakuman kosmik inilah medan Higgs ada dan memenuhinya, suatu

kondisi mutlak untuk munculnya materi di dalam “cosmic voids”. Supaya materi dan jagat

raya yang ada, tetap berada dalam kondisi stabil, niscaya massa Higgs boson dan stabilitas

vakum jagat raya kait-mengait.

Menurut teori dalam model standard fisika partikel, hanya jika massa Higgs boson

lebih besar dari 129 Gigaelektronvolt (GeV), jagat raya akan stabil. Tapi Higgs boson yang

dikonfirmasi Juli 2012 ternyata memiliki massa 126 GeV, cukup ringan sehingga akan

membuat jagat raya tak stabil.  Dalam suatu kosmos yang tak stabil, gelembung-gelembung

jagat raya alternatif akan muncul dari suatu tempat, dan begitu saja akan mengembang. Jika

jagat raya alternatif muncul begitu saja dari kondisi kosmik yang tak stabil, jagat raya yang

ada akan lenyap ditelan olehnya. Begitulah, dikonfirmasinya Higgs boson, mengonfirmasi

juga jagat raya yang berevolusi siklikal: dari ada jadi tiada, lalu akan ada lagi, lalu tiada lagi,

dan seterusnya. Jagat raya yang di dalamnya anda tinggal tidak stabil, dan di masa depan

akan lenyap ditelan jagat raya alternatif. Kita jadi paham, partikel Higgs boson bukan

hanya memberi massa pada materi sehingga jagat raya dimungkinkan terbentuk, tetapi

juga nanti partikel yang sama akan melenyapkan jagat raya yang semula dibentuknya.

  Tetapi masih ada alternatif untuk bisa menghasilkan jagat raya yang stabil. Di sinilah

para fisikawan tertantang, setelah partikel Higgs dikonfirmasi. Teori tentang jagat raya yang

stabil, mengharuskan orang berpaling ke teori supersimetri. Teori supersimetri, setiap partikel

biasa memiliki partikel mitra yang massanya lebih besar, yang dinamakan “superpartner”.

Jika massa partikel Higgs terlalu ringan sehingga akan membuat jagat raya tak stabil, masih

ada faktor lain yang bisa mengubah pengetahuan kita mengenai kondisi ini. Faktor lain itu

harus datang dari “superpartner” partikel Higgs boson, yang para saintis namakan “top

quark”, yang masih harus diburu dan diukur massanya. Dalam perhitungan matematis, jagat

raya akan stabil jika massa “top quark” lebih besar dari massa partikel pasangannya, Higgs

boson. Partikel Higgs boson yang ringan harus diimbangi oleh “top quark” yang massanya

lebih besar, jika kondisi stabil jagat raya mau tercipta.

Maka setelah penemuan Higgs boson, yang harus dikonfirmasi adalah berapa besar

massa “top quark” yang sebenarnya, kembali lewat LHC. Tapi sementara ini LHC sedang

dinonaktifkan selama dua tahun ke depan untuk keperluan reparasi dan meningkatkan

powernya jauh melebihi yang sekarang. Jadi perburuan terhadap “top quark” untuk mengukur

massanya akan mulai bisa dilakukan sejak tahun 2015, untuk memastikan apakah jagat raya

kita stabil atau tak stabil, apakah akan lenyap ditelan jagat raya alternatif di masa depan,

bermilyar-milyar tahun dari sekarang. Diduga, teori kosmologis (lama) bahwa jagat raya kita

berevolusi siklikal, ada lalu tiada lalu ada lagi dan seterusnya, akan dikonfirmasi.

BAB III

PENUTUP

Kesimpulan

Pada saat alam semesta berusia 10-6 detik proton dan neutron baru tercipta. Sebelum

itu, alam semesta hanya berupa kumpulan quark-quark dan lepton-lepton. Proton dan neutron

merupakan partikel dasar dalam pembentukan alam semesta, tetapi partikel-partikel tersebut

tersusun dari partikel partikel yang lebih kecil. Partikel-partikel tersebut disebut Quark.

Sedangkan lepton adalah partikel-partikel yang sangat ringan (massa sangat kecil).

Pada tahun 2012 ditemukan partikel Higgs boson. Higgs boson mempersatukan

partikel-partikel sehingga kohesif, alhasil massa terbentuk, dua materi menjadi ada.

Metaforanya adalah Higgs boson itu seperti sebuah magnit yang sangat kuat, sehingga

menarik dan menyatukan semua jarum yang semula tercerai-berai. Tanpa Higgs boson,

partikel-partikel fundamental akan tercerai berai sehingga materi tak akan terbentuk dan jaga

raya, karenanya, tak akan pernah ada. Higgs boson diteorikan pertama kali oleh Peter Higgs

di tahun 1964.

DAFTAR PUSTAKA

Anugraha, Rinto.2011.Teori Relativitas dan Kosmologi.Yogyakarta : UGM

http://www.fisikanet.lipi.go.id/

http://www.isains.com/

http://www.rabithah-alawiyah.org/