Antimateri :my physics assignment

ANTIMATERI

DISUSUN OLEH YANTY, XI-IPA3/30

SMA GONZAGA
JL.PEJATEN BARAT NO. 10A
JAKARTA SELATAN
OKTOBER 2007

MATERI

Dalam Fisika dan Kimia, materi didefinisikan sebagai bahan yang membentuk objek-objek fisik yang ada sekarang ini. Para fisikawan menganggap materi terdiri dari fermion elementer, yaitu lepton, yaitu elektron, dan quark, up-quark dan down quark yang menyusun proton dan neutron, baryon dan meson. Proton, neutron dan elektron membentuk atom, atom membentuk molekul, dan apapun yang dibuat molekul dan atom merupakan materi. Photon dan boson bukan materi.

ANTIMATERI

Dalam Fisika partikel, materi mempunyai lawan yaitu antimateri. Antimateri adalah materi, namun mempunyai sifat yang berlawanan dengan materi biasa, contoh momentum angular, spin dan muatan listriknya. Antimateri disusun atas antipartikel yang terdiri dari Positron (positive electron), Antiproton dan Antineutron. Pion netral dan photon adalah contoh partikel yang tidak punya antipartikel. Antimateri tidak terdapat secara normal di Bumi. Antimateri dihasilkan dari peluruhan radioaktif dan sinar kosmik.

SEJARAH PENEMUAN ANTIPARTIKEL

Tahun 1928 P.A.M. Dirac mengajukan rumusan persamaan gelombang elektron baru sebagai perluasan persamaan Schrödinger dalam mekanika kuantum yang taat asas Teori Kerelatifan Khusus Einstein, dikenal sebagai Persamaan Dirac, yang menyebutkan teori mengenai kesimetrian ruang-waktu sebagai kesatuan utuh yang secaea mekanika berlaku untuk gerak benda atau partikel dengan kecepatan tinggi, mendekati kecepatan rambat gelombang cahaya. Persamaan Dirac juga menyibak teka-teki nilai spin elektron, s=1/2, momentum sudutnya 1/2h dan momen magnetiknya eh/2m yang muncul secara wajar tanpa paksaan. Dirac meramalkan pula kehadiran lawan dari elektron, yaitu elektron positif. Umumnya, orang-orang mengira bahwa proton merupakan partikel positif namun tahun 1932, elektron positif dapat dideteksi tanpa keraguan dalam fluks radiasi kosmik pada permukaan bumi. Carl Anderson mengamati fenomena sinar kosmik ini.Anderson menggunakan peranti pengamat kamar buih. Peranti ini terdiri dari hidrogen cair bersuhu rendah. Bila sebuah partikel bermuatan bergerak melalui hidrogen cair, atom-atom hidrogen sepanjang lintasannya akan terionkan dan energi pengionannya akan menimbulkan buih di dalam hidrogen cair. Bila buih mungil itu disinari cahaya, akan tampak suatu lintasan yang dapat dipotret. Lintasan lengkung partikel disebabkan oleh pengaruh medan magnet. Dari sejumlah rekaman foto jejak partikel, Anderson menemukan jejak partikel yang bermassa sama dengan elektron namun partikel itu melengkung ke arah berlawanan. Pasangan Joliot-Curie juga menemukan hal yang sama ketika melakukan transmutasi inti buatan dengan menembakan partikel alfa pada selembar aluminium di dalam kamar buih. Ketika pelat aluminium tidak lagi ditembaki, pancaran partikel yang bermuatan positif itu tetap berlangsung namun makin melemah. Setiap 2,5 menit, jumlahnya berkurang dengan faktor 2.

Partikel yang bermuatan sama dengan elektron ini dinamakan positron (positive electron) dengan lambang e⁺.

Tahun 1955, O. Chamberlain dan Emilio Segre dengan akselerator Bevatron menumbukkan dua proton berenergi tinggi sehingga menghasilkan antiproton dengan lambang . Reaksinya :

p + p → p + p + p +

Tahun 1955, Bruce Cork menemukan antineutron. Antineutron tentu saja bermassa sama dengan neutron dan tidak punya muatan. Tapi antineutron tersusun atas 2 anti-down quark dan satu anti up-quark. Momen magnetik antineutron juga berbeda dengan neutron, +1,91 µ_N untuk antineutron dan -1,91 µ_N untuk neutron. Perbedaan neutron dengan antineutron yaitu momen dipol magnetnya dan momentum angularnya. Pada neutron, momen magnetnya berlawanan arah dengan spinnya namun pada antineutron, keduanya sejajar. Seberkas neutron dalam medan magnet akan mengatur arah spinnya berlawanan arah medan, namun antineuton akan mengarahkan spinnya sejajar dengan arah medan magnet.

PARTIKEL ELEMENTER DAN ANTIPARTIKELNYA

Semua partikel elementer mempunyai antipartikelnya. Neutrino, elektron dan muon negatif bilangan lepton L=+1, sedangkan antineutrino, positron dan muon positif (lambang muon positif μ⁺ bisa juga sebagai antipartikel dari muon negatif μ^-, tapi bisa juga partikel muon positif itu sendiri) mempunyai bilangan lepton L=-1. Materi biasa tidak terdiri dari neutrino sehingga susah membedakan neutrino dengan antineutrino. Ilmuwan menyadari dalam proses peluruhan beta positif dan negatif :

n → p + e^- + v (peluruhan beta negatif)

p → n + e⁺ + v (peluruhan beta positif)

neutrino terlibat dalam peluruhan beta positif dan antineutrino terlibat dalam peluruhan beta negatif. Perbedaan lainnya yaitu spin neutrino dan antineutrino berlawanan arah.

Partikel elementer lainnya, baryon berat seperti Λ(lambda) melalui peluruhan radioaktif menghasilkan proton dan neutron(n) sedangkan antilambda Λ menghasilkan antineutron (n). Pada kasus lepton, muon μ^- adalah antipartikel dari μ⁺ dan sebaliknya, karena μ^- meluruh ke e^- maka disebut partikel sedangkan μ⁺ merupakan antipartikelnya. Membedakan pion positif dan negatif dari antipartikelnya sedikit lebih susah. Pion π⁺ merupakan antipartikel dari π^-, namun bisa juga merupakan π⁺ itu sendiri. Materi biasa tidak tersusun dari meson π lalu peluruhan π⁺ dan π^- juga menghasilkan satu lepton dan antilepton. Maka, tiga partikel pion π⁺ dan π^- mempunyai antipartikel π^- dan π⁺.

Photon dan pion netral tidak mempunyai antipartikel. Hal ini disebabkan photon dan antiphoton adalah identik atau sama, begitu pula dengan pion netral. Untuk membedakan suatu partikel dengan antipartikelnya yaitu amati momen dipol magnetnya, muatan listrik, momentum angular, arah spin, bilangan kuantumnya dan reaksi peluruhannya.

PRODUKSI PASANGAN (PAIR PRODUCTION)

Produksi pasangan diunjukkan untuk membuat pasangan partikel dan anti-partikelnya, terutama pasangan elektron dan positron. Untuk menciptakan antiproton, O. Chamberlain dan Emilio Segre menumbukkan dua proton dalam kecepatan tinggi, begitu juga ketika Bruce Cork menemukan antineutron. Hal yang berbeda terjadi pada produksi pasangan elektron dan positron. Elektron dan positron tecipta saat sebuah photon yang melewati inti atom yang masif dan energinya dikonversikan ke dalam materi. Kehadiran inti atom diperlukan sehingga hukum kekekalan momentum dapat terpenuhi. Elektronnya tercipta sendiri, bukan milik atom. Lalu, muncullah positron dan elektron dari ketiadaan. Reaksinya dituliskan :

γ + γ → e^- + e⁺

Energi photon yang hilang dalam proses ini dirubah menjadi energi relativistik positron E₊ dan elektron E_- dengan persamaan:

hv = E₊ + E_-

= 2m_oc² + [E₊ + E_-]

Karena K+ dan K- selalu positif maka untuk melakukan produksi pasangan, photon harus memiliki energi sekurang-kurangnya 2m_oc²=1,02 MeV atau 1,64 X 10^-13 J.

PEMUSNAHAN PASANGAN (PAIR ANNIHILATION)

Setiap partikel yang bertemu antipartikelnya, mereka akan dikonversikan dalam energi murni 100%, hal ini disebut pemusnahan pasangan. Antiproton dengan proton, antineutron dengan neutron dan positron dengan elektron yang bertemu akan ter-annihilated (musnah). Berikut ini proses pemusnahan elektron-positron.

Positron yang kehilangan energi kinetiknya oleh proses ionisasi, menyatu dengan elektron dan musnah. Total massa mereka dirubah menjadi energi dan 2 photon yang bergerak ke arah berlawanan, berkebalikan dengan proses produksi pasangan. Reaksinya:

e^- + e⁺→ γ + γ

Mustahil pemusnahan pasangan elektron-positron hanya menghasilkan 1 photon karena seluruh energi dan momentumnya tidak akan dirubah hanya ke dalam satu photon. Jika hv_min=m_oc2, maka energi yang dihasilkan adalah 1,64 X 10^-13 J atau 1,02 MeV dan untuk mengkoservasikan momentum, setiap quantum mempunyai energi 8,2 X 10^-14 J. Jika positron-elektron dimusnahkan, akan muncul radiasi gamma sampai 511 keV dihitung dari massa elektron. Sementara pemusnahan proton-antiproton menghasilkan energi setara massa proton, sekita 1 GeV. Namun, satuan yang dipakai adalah rentang sinar X, bukan sinar Gamma.

PERKEMBANGAN TEKNOLOGI ANTIMATERI

Energi yang dihasilkan dari materi-antimateri menjadi energi yang paling efisien yang pernah dikembangkan. Energi yang ditimbulkan dari pemusnahan materi-antimateri energi yang 10 milyar kali lebih banyak daripada pembakaran hidrogen dan oksigen untuk pesawat antariksa. Reaksi materi-antimateri juga 1000 kali lebih hebat daripada fisi nuklir dan 300 kali lebih hebat daripada fusi nuklir.

Permasalahan yang muncul pertama kali begitu antimateri ditemukan adalah bagaimana cara menyimpan antimateri tersebut. Karena antimateri akan langsung bereaksi dengan materi, maka atom-atom antimateri disimpan di dalam tabung yang disebut jebakan elektromagnet/jebakan antimateri. Tabung vakum ini memiliki kutub elektromagnet di masing-masing ujungnya sehingga antimateri tersebut melayang di tengah tabung. Bisa juga menggunakan kristal dilithium (2<5>6 dilithium 2<:>1 diallosilicate 1:9:1 heptoferranide) karena kristal tersebut bisa mengatur kecepatan proses peniadaan materi-antimateri, dan merupakan satu-satunya kristal yang dapat menyerap antimateri. Kristal adalah atom yang tersusun dalam suatu kisi-kisi. Bayangkan atom antihydrogen disusupkan melewati kisi-kisi kristal dilithium dan berhenti pada jarak tertentu sebelum bersentuhan dengan atom materi.

Antimateri tidak terdapat secara alami di bumi, malah mungkin hanya ada sedikit di sistem Tata Surya dan Galaksi Bimasakti, antimateri banyak terdapat di akumulator antiproton di Fermilab dan CERN (Conseil Européean pour la Recherche Nucléaire-Organisasi Eropa untuk Penelitian Nuklir). Lembaga ini pula yang menciptakan antiatom tahun 1995 yaitu antihydrogen.

Salah satu kegunaan antimateri yaitu PET (Positron Emission Tomography). Dalam bidang kedokteran, metode PET sangat membantu dalam menganalisis penyumbatan-penyumbatan pembuluh darah pada bagian tubuh tertentu yang terlalu berbahaya disinari sinar X. Positron dicampurkan dengan zat cair tertentu dan disuntikkan ke dalam tubuh. Ledakan sinar gamma akan dideteksi oleh dokter lewat monitor. Tak ada zat sisa kecuali zat cair yang mengantar positron masuk ke dalam tubuh. Tentu saja komposisi elektron zat cair dan positron disesuaikan agar ketika terjadi pemusnahan didalam tubuh, ledakan sinar gammanya tidak akan merusak jaringan tubuh. Teknik kedokteran ini dikembangkan oleh Michael Ter-Pogossian dan Michael E. Phelps tahun 1975 di Washington University School of Medicine.

Kegunaan antimateri lainnya yaitu sebagai sumber energi. Reaksi 1 kg antimateri-materi dapat menghasilkan energi sebesar 1,81 X 10¹⁷J(180 petajoule) setara dengan 40 megaton TNT. Energi sebesar itu tidak bisa digunakan seluruhnya karena 50% diambil oleh neutrino atau hilang. Selain itu, teknologi sekarang belum memungkinkan digunakannya antimateri sebagai sumber energi.

Antimateri juga dapat digunakan sebagai senjata. Sama seperti sumber energi antimateri, senjata ini masih berupa alat hipotetis. US Air Force sangat tertarik dengan riset Fisika antimateri untuk digunakan sebagai bom setelah Perang Dingin usai.

Sumber energi dan senjata dari antimateri mungkin harus menunggu perkembangan teknologi selanjutnya. Selain itu, terkadang harus siap merugi karena untuk menciptakan sebutir antiproton saja butuh ongkos jutaan dolar. Jadi, ongkos pembuatan menjadi penghambat, 1 gram antimateri menghabiskan 25 milyar dolar AS hingga 100 quadrilion dolar, waktu yang diperlukan untuk memproduksinya kira-kira 100 milyar tahun. Dalam fiksi, antimateri merupakan sumber energi U.S.S Enterprise dan senjata torpedo foton dalam Star Trek. Untungnya, karena mahalnya biaya produksi dan belum berkembangnya teknologi untuk memproduksi, maka antimateri bukanlah sumber energi, dengan penjelasan sebagai berikut.

Fermilab menghasilkan antiproton lewat benturan proton pada tingkat energi medium dengan sasaran lithium. Antiprotonnya langsung diarahkan ke cincin tempat penyimpanan. Dengan bekerja dengan kapasitas rata-rata, Fermilab menghasilkan sekitar 50 milyar antiproton per jam. Dengan asumsi Antiproton Source bekerja selama 273 hari per tahun atau 6000 kali operasi per tahin, maka Fermilab menghasilkan 300 000 milyar antiproton per tahun. Tahun 1995, sekitar 500 juta dollar AS berhubungan dengan produksi antiproton maka setiap satu dollar dihasilkan 6 juta antiproton (setelah dikurangi biaya administrasi laboratoriumnya). Namun jika mengabaikan antiproton energi tinggi, bisa didapatkan 10-20 juta antiproton per dollar. Jika antiproton seharga satu dollar dirubah menjadi energi, energi yang didapat setara dengan kebutuhan energi untuk memanaskan ¼ gram air sampai naik 1/1000 derajat celcius. Dengan kata lain, dibutuhkan 100 000 Antiproton Source Fermilab untuk menyalakan bola lampu dan tentu saja, butuh lebih dari anggaran tahunan pemerintah Amerika untuk menerangi ruang keluarga. Selain itu, energi yang diperlukan untuk membuat satu antiproton melebihi energi hasil konversi antiproton tersebut.

LEMBAGA FISIKA PARTIKEL DI EROPA

CERN adalah salah satu lembaga atau lamboratorium penelitian fisika partikel di Eropa. CERN terletak di Jenewa, Swiss, dan mempunyai akselerator partikel yang disebut Large Hadron Collider (LHC) untuk meneliti dan mempelajari misteri antimateri. CERN bekerjasama dengan ATRAP dan ALPHA dalam melakukan riset mengenai antimateri. Lembaga-lembaga ini terdiri atas ilmuwan-ilmuwan dari berbagai negara dan universitas, yang tujuannya membuat antiatom, lebih spesifik lagi, antihydrogen. Eksperimen ini dilakukan di Antiproton Decelerator di CERN. Awalnya, CERN melalui proyek ATHENA berhasil membuat 9 atom antihydrogen. Antihydrogen ini terlalu “panas” untuk dipelajari sehingga CERN berkolaborasi dengan ALPHA dan ATRAP untuk membuat antihydrogen yang “dingin”. Tahun 2002, antihydrogen berhasil yang dingin berhasil dibuat oleh ATRAP dan ATHENA.

LEMBAGA FISIKA PARTIKEL DI AMERIKA

Jika CERN di Eropa memiliki LHC, maka Fermi National Accelerator Laboratory atau Fermilab di Illonis, Chicago, USA memiliki Tevatron. Antiproton Source tersusun dari cincin-cincin magnet besar. Antiproton yang baru diproduksi, diarahkan masuk ke dalam cincin ini. Cincin itu sekaligus tempat penyimpanan sampai mereka diperlukan untuk ter-annihilasi di dalam Tevatron, collider (alat untuk mempercepat laju partikel dan menumbukkan mereka dari arah yang berlawanan) energi tinggi. Tevatron berbentuk cincin dengan keliling 2,5 km. Proton disuntikkan ke dalam cincin lalu dipercepat dari satu sisi, sementara antiproton dipercepat dari arah berlawanan. Medan magnet diatur sedemikian rupa sehingga kedua aliran partikel dapat terpisah di sepanjang tabung. Pada titik yang sudah ditentukan, kedua aliran disatukan sehingga terjadi benturan.

ANTIATOM

Antiatom terdiri dari antiproton dan antineutron sebagai antinukleonnya (anti-inti atom) dan dikelilingi oleh positron, persis seperti atom materi. Antiatom juga punya karakteristik yang pasti sama dengan atom materi biasa, kecuali bahan penyusunnya yaitu antipartikel. Sejauh ini, berhasil diciptakan antihydrogen, antideuterium, antitritium dan antihelium.

CERN berusaha menciptakan antihydrogen dengan menembakkan antiproton didalam akselerator partikel dengan jet xenon. Saat antiproton mendekati inti xenon, terjadi produksi elektron-positron. Positron akan ditangkap oleh antiproton untuk membentuk antihydrogen. Metode ini gagal dilakukan karena menghasilkan antihydrogen dengan suhu ribuan Kelvin. Eksperimen yang dibuat oleh kolaborasi ATHENA dan ATRAP berhasil menciptakan antihydrogen dingin dengan cara memerangkap positron dari sumber radioaktif sodium bersama dengan antiproton ke dalam jebakan magnetik, sehingga 100 atom antihydrogen berhasil diciptakan dalam waktu 1 detik.

INTERAKSI GRAVITASI TERHADAP ANTIMATERI

Interaksi gravitasi terhadap antimateri belum diteliti oleh para ilmuwan, antara materi dan antimateri. Teorema CPT mengungkapkan bahwa antimateri akan punya interaksi gravitasi yang normal dengan antimateri, sama seperti materi dengan materi. Jika ada antiapple (antiapel) di atas antiearth, maka seharusnya antiapple itu jatuh ke antiearth sama seperti apel jatuh ke Bumi. Para ilmuwan mencoba mengamati interaksi gravitasi antara neutrino-antineutrino saat terjadi Supernova 1987. Sayangnya, interaksi itu terlalu lemah untuk dideteksi. Fisikawan William Fairbank juga mencoba mendeteksi interaksi gravitasi antara elektron-positron namun susah sekali mendeteksi interaksi gravitasinya pada level partikel. Photon, yang merupakan partikel dan antipartikel sendiri, bertingkah seperti partikel materi dan antimateri secara simetris. Dua argumen yang masih ada mengenai gravitasi adalah antimateri akan tarik-menarik dengan materi atau antimateri akan menjauhi materi. Seharusnya, antimateri akan tarik-menarik dengan materi sehingga mereka bisa termusnahkan, namun antimateri juga bisa menjauhi materi seperti dalam proses produksi pasangan.

HIPOTESIS ANTIUNIVERSE DAN ASIMETRI MATERI-ANTIMATERI

Ilmuwan percaya jika ada antimateri, maka alam semesta (universe) terdiri dari materi dan antimateri. Masalahnya, karena pemusnahan materi-antimateri, maka harus ada ruang kosong bagi antimateri supaya tidak bersentuhan dengan materi, sehingga muncul hipotesis adanya antiuniverse (anti-alam semesta/ anti-jagad raya). Namun, berapapun terisolasinya antiuniverse, suatu saat akan ada jabat tangan antara universe dan antiuniverse sehingga terjadi bencana banjir sinar gamma akibat pemusnahan. Walaupun begitu, sebagian ilmuwan percaya bahwa selain antiuniverse, pasti ada antistar (antibintang), antiearth (antibumi) bahkan antiyou (antimanusia). Hipotesis yang lebih masuk akal adalah ketika terjadi asimetri materi-antimateri saat peristiwa Big Bang (ledakan Besar) terjadi. Kelebihan materi sekitar 10⁸ atau 10⁹. 99,999999 persen materi musnah bersama seluruh antimateri sehingga 0,000001 persen materi yang menyusun jagad raya sekarang. Perkiraan perbandingan lainnya yaitu 30.000.0001 quark berbanding 30.000.000 antiquark. Namun, ada asimetri antar baryon dan fermion terhadap antibaryon yang bereaksi kuat. Ini disebut asimetri baryon. Teori yang menjelaskan asimetri baryon ini disebut baryogenesis, dimana lahirnya bilangan baryon yang bukan nol. Syarat terjadinya yaitu harus ada penyimpangan simetri konjungasi muatan listrik dan paritas, disebut CP violation. Proses itu harus terjadi saat tak ada keseimbangan (out of equlibrium).

DAFTAR PUSTAKA

Beiser, Arthur. 1987. Konsep Fisika Modern Edisi Keempat.

Jakarta : Penerbit Erlangga.

Krane, Kenneth. 2006. Fisika Modern.

Jakarta : Penerbit Universitas Indonesia.

Krauss, Lawrence M. 2003. Fisika Star Trek.

Jakarta : Kepustakaan Populer Gramedia.

Shipman, H. L. 1976. Black Holes, Quasars And The Universe.

Boston : Houghton Mifflin Company.

Whelan dan Hodgson. 1978. Essential Principles of Physics.

London : John Murray Ltd.

Wospakrik, Hans J. 2005. Dari Atomos Hingga Quark.

Jakarta : Penerbit Universitas Atma Jaya dan Kepustakaan Populer Gramedia.

Sumber Internet :

http://en.wikipedia.com

http://www.cern.ch