FERMION DAN BOSON Posted on April 20, 2011 | 1 Comment Semua partikel yang menyusun alam semesta terbagi menjadi dua katagori dasar: fe rmion dan boson. Akar dari pembagian ini berasal dari Belanda, tepatnya diUniversityofLeiden, dimana Samuel Goudsmit dan George Uhlenbeck menjadi akademisi pada 1925. Goudsmit yang lebih berorientasi pada percobaan, memperhatikan adanya pemisahan tambahan dalam spektrum cahaya yang dipancarkan oleh atom at om helium. Uhlenbeck, yang lebih akrab dengan fisika klasik, mengira penyebab pe nyebab pemisahan ini mungkin berhubungan dengan sifat alami elektron. Goudsmit dan Uhlenbeck sama-sama menduga bahwa elektron memiliki momentum sudut intrinsik, atau yang biasa disebut spin. Saat itu mekanika kuantum masih dalam tahap pembentukan, jadi gagasan ini menghasilkan bilangan kuantum keempat — — setelah setelah kuantum utama, orbital, dan magnetik — yang yang disebut bilangan kuantum spin. Meskipun nampaknya menarik bahwa elektron adalah sesuatu yang kecil dan berputar cepat, namun gambaran ini tidak bisa ditelan mentah-mentah. Momentum sudut intrinsik elektron, atau spin, bernilai ± ½ (h/2.π) dimana h adalah konstanta Planck (6,626 × 10 -34 joule-sekon). Spin juga merupakan cara yang mudah untuk memahami elektron karena bilangan kuantum spin memiliki dua nilai yakni +½ (h/2.π) dan –½ (h/2.π), sesuai dengan putaran “ke atas” dan “ke bawah”. Pada ta hun 1928, perhitungan mekanika mekanika kuantum oleh ahli fisika Inggris, Paul A.M. Dirac memberikan dasar teoreti s bagi spin elektron. Maka, boleh jadi usaha Goudsmit dan Uhlenbeck sebelumnya merupakan keberuntungan semata. Pada 1925, ahli fisikaAustria, Wolfgang Pauli, memberikan gagasan keempat bahwa tidak ada dua elektron yang bisa menempati tingkat kuantum yang sama di tempat yang sama. Prinsip yang kemudian disebut “larangan Pauli” ini merupakan dasar bagi tabel periodik unsur-unsur kimia. Ketika perilaku statistik elektron-elektron dipelajari, ahli fisika Italia-Amerika, Enrico Fermi, bersama-sama dengan Dirac menciptakan teori yang disebut Statistika Fermi-Dirac. Analisis ini belakangan meliputi semua partikel lain yang merupakan kelipatan setengah integer (bilangan bulat) ganjil dari h/2.π. Partikel ini, yang disebut fermion, meliputi semua lepton dan quark. Jadi,massaalam semesta terdiri atas fermion. Partikel dengan kelipatan bilangan bulat atau nol terhadap h/2.π diteliti secara terpisah oleh ahli fisika India, Satyendranath Bose, pada tahun 1924. Saat bekerja di University of Dhacca, Dhacca, di Bangladesh, Bose mengirimkan analisisnya kepada Einstein untuk meminta komentar. Einstein menerjemahkan analisisnya ke bahasa Jerman dan merekomendasikan penerbitannya. Tahun berikutnya, berikutnya, Einstein memperluas pekerjaan Bose sampai pada semua partikel, bukan hanya fermion. Perilaku statistik dari partikel semacam itu disebut statistika Bose-Einstein. Dirac menyebut partikel-partikel yang sesuai dengan statisti ka ini sebagai boson. Semua pembawagaya pembawagaya — foton foton yang membawagaya elektromagnetik, gluon yang membawagaya kuat, dan partikel W dan Z, yang membawagaya lemah — merupakan merupakan boson. Sementara tidak ada dua fermion yang bisa terletak pada tingkat kuantum yang sama, tidak ada pembatasan semacam ini yang berlaku pada boson. Kenyataannya, semakin banyak boson yang terdapat dalam tingkat energi tertentu, makin banyak banyak pula boson yang mirip yang
akan memasuki tingkat itu. Kenyataan tersebut adalah dasar bagi emis i buatan yang terjadi pada sinar laser, dimana semua foton berbaris dalam satu fase dengan tingkat energi yang sama. Sifat mengelompok ini juga membantu menjelaskan fluiditas super pada helium, dan bahkan konduktivitas super, ketika elektron berpasangan dan berlaku seperti boson. Pada tahun 1955, gas atom rubidium didinginkan sampai suhu yang sangat rendah sehingga atom gas semuanya berada pada tingkat kuantum yang sama. Agregat ini disebut kondensat BoseEinstein. Sifat “penyendiri” fermion, dan sifat “mengelompok” boson ini membuat keduanya secara mendasar cukup berbeda. Akan tetapi, perbedaannya kritis bagi sifat alamiah alam semesta seperti yang kita tahu. Misalnya, jika fermion bergabung seperti boson, sebuah elektron atom akan menggerombol pada tingkat energi terendah, sehingga tidak akan ada kimia, dan kehidupan tidak akan pernah ada! Yang bikin bingung bahwa cahaya itu partikel adalah prinsip kekekalan. Cahaya bisa diciptakan, bisa dienyahkan, karena toh massanya nol dan muatannya nol. Bose (orang dari India) yang memang terbiasa berpikir filosofis ala India men yatakan bahwa dengan demikian seharusnya statistika untuk kuantum cahaya (waktu itu belum dinamai foton) harus berbeda dengan kuantum partikel seperti elektron. Dia mengajukan soal ini ke sebuah jurnal ilmiah, tapi dicuekin. Jadi dia kirim ke Einstein untuk diperiksa. Einstein menambahkan komentar, dan menerjemahkannya ke bahasa Jerman, dan mengirimkannya ke redaksi. Nama Einstein adalah jaminan, jadi artikel itu langsung dimuat, dan membuat heboh para fisikawan. Sejak itu materi dipisahkan atas partikel dengan statistika Bose-Einstein (dinamai boson), dan partikel dengan statistika Fermi-Dirac (dinamai fermion). Kuantum cahaya kemudian diakui sebagai materi dengan nama foton. Dan buku-buku IPA harus mengubah definisi materi. Fisikawan menangkap sejumlah atom menggunakan perangkap laser
Seperti seorang ahli kue memperkirakan banyaknya tepung yang harus digunakan, fisikawan pada Universitas Texas di Austin telah menggunakan sebuah perangkap laser untuk secara konsisten menangkap dan mengukur sejumlah kecil atom. Dr. Mark Raizen, Sid W. Richardson Regents Chain in Physics dan koleganya pada Pusat Dinamika Nonlinear telah berulang kali berhasil menangkap paling tidak 60 atom di dalam kotak yang terbuat dari laser. Kemampuan untuk mengukur atom dengan akurasi tinggi menempatkan ilmuwan s atu tingkat lebih dekat untuk mengendalikan atom-atom tunggal dan me wujudkan komputasi quantum. Komputer quantum akan menggunakan kemampuan atom-atom untuk memasukkan informasi dan untuk kalkulasi. Hasil ini juga menandai timbulnya bidang baru – quantum atom statistic. “Beberapa pekerjaan menutup sebuah bab dari permasalahan di dalam sains dan pekerjaan lainnya membuka bab yang baru”, kata Raizen. “Saya melihatnya sebagai pembukaan bab yang baru karena penelitian statistika quantum dari atom memiliki potensi yang sangat besar di masa akan datang”. Raizen dan koleganya membuat apa yang dibuat sebagai sebuah squeezed number state, dimana jumlah atom yang ditangkap pada perangkap las er mendekati konstan. Untuk
mencapai jumlah atom yang dimampatkan, para fisikawan membuat sebuah kotak yang terbuat dari sinar laser. Kotak laser ini tidak memiliki atap – hanya empat sisi dan dasar – dan memiliki sejumlah atom yang tetap seperti sebuah gelas yang menampung bola-bola ping pong. “Katakanlah kita memiliki sebuah perangkap yang bekerja seperti sebuah gelas ”, jelas Raizen, “san saya mulai memasukkan bola-bola ping-pong di dalam gelas. Saya mencapai tingkat dimana saya tidak lagi dapat memasukkan bola tanpa membuatnya tumpah. Sehingga ada nilai konstan dimana jumlah bolanya harus sedemikian. Inilah mekanisme yang kami gunakan, hanya saja, gelasnya terbuat dari cahaya”. Perbedaan lainnya, tentu saja, bahwa Raizen dan koleganya menggunakan atom-atom, bukannya bola-bola. Eksperimen ini menggunakan sebuah awan Rubidium-87 yang diperangkap dan didinginkan hingga mencapai kondensasi Bose-Einstein sehingga menempati perangkap. Kondensasi Bose-Einstein adalah keadaan baru materi yang dicapai mendekati suhu nol absolut, -459.67 Fahreinheit, dan biasanya terdiri dari sekitar 1 juta atom. Untuk menurunkan jumlah atom hingga hanya 60 atom, para peneliti secara perlahan menurunkan sisi-sisi dari kotak laser mereka, yang berukuran 2 mikrometer dari kedua sisi sehingga atom berjatuhan dari sisi-sisinya. “Setiap saat kami menurunkannya, akan lebih banyak atom yang berjatuhan sehingga kami memperoleh jumlah atom yang kami inginkan”, kata Raizen. Parapeneliti dapat dengan cepat mengulang dan memperoleh jumlah atom yang sama setiap saat dengan akurasi tinggi dan Raizen berkata “Ini adalah pertama kalinya statistik atom dengan menghitung atom”. Raizen menyebutkan istilah “penguapan quantum”, karena atom -atom yang lepas dari perangkap seperti molekul-molekul air yang menguap dari sebuah gelas. Raizen berkata mereka akan mencoba untuk membuat kotaknya lebih kecil lagi.
