Penemuan Partikel Eksotik Pentaquark

Saking barunya, nama partikel yang bermuatan sama dengan positron ini pun masih belum disepakati. Sebagian fisikawan masih menyebutnya sebagai partikel Z⁺, sementara akhir-akhir ini kebanyakan menyatakannya sebagai Theta+ atau partikel eksotik pentaquark (lima quark). Meski tidak dilarang oleh Model Standar yang secara resmi dianut oleh semua fisikawan, keberadaan partikel pentaquark selama ini sulit dideteksi. Namun, kemajuan pesat di dunia akselerator serta semakin canggihnya detektor partikel saat kini mengakhiri perburuan partikel yang telah diramalkan sejak sekitar 30 tahun lalu. Penemuan ini tentu saja memiliki konsekuensi serius pada pandangan umat manusia terhadap alam semesta, karena selama ini quark yang merupakan bahan dasar penyusun jagad raya diketahui hanya dapat membentuk partikel sub-atomik dalam kombinasi  dua atau tiga quark saja.

Apakah Quark Itu?

Semula quark diramalkan oleh Murray Gell-mann dan George Zweig sebagai partikel fundamental pada tahun 1964. Nama quark dipilih oleh Gell-Mann. Nama ini muncul dalam novel karya James Joyce berjudul Finnegan’s Wake pada satu kalimat : “three quarks for Muster Mark”.  Ide ini sangat revolusioner karena memperkenalkan sub-partikel  baru yang bermuatan +2/3 dan -1/3 muatan proton. Namun pada mulanya ia hanya dianggap sebagai partikel fiksi matematik karena quark tidak pernah berada dalam keadaan bebas. Quark hanya dapat hidup di dalam partikel-partikel subatomik seperti proton, netron, atau pion. Gaya kuat yang mengikat quark di dalam partikel tersebut akan bertambah besar jika kita ingin mengeluarkannya. Meski demikian, hasil-hasil eksperimen selama hampir 40 tahun terakhir telah memperlihatkan bahwa keberadaan quark bukan lagi hal yang mustahil.

Hingga saat ini telah dikenal enam jenis quark yang diberi nama up, down, strange, charm, bottom, dan top (u, d, s, c, b dan t). Bersama-sama dengan lepton dan partikel interaksi (gauge-boson), ke-enam jenis quark tersebut menyusun jagad raya yang kita tempati ini, termasuk diri kita sendiri. Dua quark yang paling ringan adalah quark up dan down. Keduanya merupakan konsituen proton dan netron yang membangun mayoritas isi jagad raya.

Quark jenis ketiga disebut quark strange (aneh) karena quark ini selalu terdapat pada partikel-partikel yang memiliki bilangan keanehan seperti kaon dan hyperon.

Pada tahun 1974 di pusat akselerator linier Stanford (SLAC) ditemukan quark charm di dalam suatu partikel baru yang disebut Psi. Secara simultan di laboratorium nasional Brookhaven quark jenis ini ditemukan dalam partikel yang mereka sebut sebagai J. Partikel yang kini dikenal sebagai partikel J/\Psi ini  adalah kombinasi dari quark charm dan anti-charm (cc).

Quark jenis kelima adalah beauty atau bottom yang pertama kali teridentifikasi di laboratorium nasional Fermi (Fermilab) pada tahun 1977.  Di tempat yang sama pada tahun 1995 ditemukan quark jenis terakhir yang diberi nama top atau truth. Jenis ini merupakan quark yang paling masif, beratnya sekitar 190 kali berat sebuah proton.

Partikel eksotik pentaquark disusun oleh dua quark up, dua quark down, serta satu quark anti-strange. Kombinasi uudds ini menghasilkan muatan yang sama dengan muatan proton, namun memiliki bilangan keanehan satu, serta identik dengan sistem partikel kaon positif dan netron K⁺n . Tidaklah mengherankan, jika dalam publikasi mereka, kolaborasi SPRING-8 menyatakan bahwa penemuan mereka dapat diterjemahkan sebagai sistem quark uudds atau sistem partikel k*n.

Penemuan Partikel Pentaquark

Di laboratorium SPRING-8 partikel pentaquark diamati melalui rangkaian percobaan sebagai berikut. Seberkas sinar laser dihamburkan pada berkas elektron yang memiliki energi 8 giga elektronvolt yang bersirkulasi dalam sebuah sinkrotron. Hamburan ini menghasilkan foton dengan energi cukup tinggi yang selanjutnya ditumbukkan pada sebuah target berisi karbon. Hasil dari tumbukan ini adalah kaon bermuatan negatif, proton, partikel pentaquark yang dalam waktu yang cukup singkat (antara 10 – 20 detik) akan meluruh menjadi sebuah kaon bermuatan positif dan sebuah netron, serta sisa-sisa tumbukan lainnya. Semua partikel yang dihasilkan ditangkap oleh detektor seperti diperlihatkan pada Gambar 1. Keberadaan partikel pentaquark ditunjukkan oleh suatu peak (puncak) pada distribusi spektrum massa yang hilang di dalam proses. Fenomena ini sering dijumpai pada kasus penelitian partikel resonansi baryon, namun lebar dari peak pada kasus pentaquark jauh lebih kecil dibandingkan dengan partikel resonansi. Pada kasus pentaquark lebar peak hanya sekitar 20 mega elektronvolt, sedangkan untuk resonansi baryon dapat mencapai 500 mega elektronvolt. Konsekuensinya, partikel pentaquark dapat hidup lebih lama (10 – 20 detik) dibandingkan dengan partikel resonansi baryon (sekitar 10^-10 detik).

Proses produksi partikel eksotik pentaquark pada laboratorium SPRING-8, Osaka, Jepang

Di laboratorium Jefferson, Virginia, para eksperimentator menggunakan foton hasil proses bremstrahlung dari berkas elektron berenergi kinetik tinggi. Foton tersebut ditembakkan pada target yang berupa deuteron. Hasil tumbukan ini adalah sebuah proton, kaon  bermuatan negatif, serta partikel pentaquark. Seperti pada kasus sebelumnya, partikel pentaquark akan segera meluruh dan dideteksi oleh detektor CLAS. Proses ini dilukiskan pada gambar 2 yang jelas lebih sederhana dibandingkan dengan proses sebelumnya. Dalam kasus ini keberadaan partikel pentaquark ditunjukkan oleh suatu peak pada distribusi massa invarian sistem partikel k*n.

Proses produksi partikel pentaquark pada laboratorium Jefferson, Virginia, USA

Saat ini, topik penelitian partikel pentaquark merupakan topik yang sangat “panas”. Puluhan paper hasil penelitian teoretis segera muncul dalam waktu singkat setelah eksperimen pertama dikonfirmasi. Beberapa eksperimen untuk memproduksi partikel ini juga telah diusulkan, yaitu melalui tumbukan antara kaon dan nukleon, foton dengan proton, dan lain-lain.

Sumber : Penemuan Partikel Eksotik Pentaquark