Seminar Fisika "Gaya-Gaya Fundamental dalam Model Standar"

Gaya Elektromagnetik

Gaya elektromgnetik bekerja antara dua buah partikel bermuatan listrik, misalnya sebuah elektron yang bermuatan negatif dan sebuah proton yang bermuatan positif tarik menarik dengan besar gaya sebanding dengan muatan listrik dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak keduannya. Energi potensial elektromagnetik diberikan oleh :

Interaksi elektromagnetik antara dua elektron dideskripsikan dengan pertukaran partikel pembawa gaya yang disebut foton. Dua deskripsi gaya elektromagnetik secara klasik dan modern yang ekuivalen pada skala makroskopis dengan mempertimbangkan medan elektrostatis disekitar partikel bermuatan Q1 dan Q2. Secara klasik gaya elektromagnetik F terhadap Q2 akibat medan elektrostatis Q1 besarnya ;

Menurut teori kuantum gaya antar muatan dianggap berasal dari pertukaran partikel virtual foton dengan momentum p, perubahan momentum partikel bermuatan akibat emisi dan absorbsi foton menghasilkan gaya. Prinsip ketidakpastian posisi dan momentum foton: 

Gambar 2.2 (a) Medan Klasik (b) Pertukaran partikel virtual dengan momentum sebesar p

(Sumber : Donald H Perkins,1987:11)

Energi potensial elektromagnetik dalam elektrodinamika kuantum dinyatakan dengan

dengan

Gaya elektromagnetik antar elektron direpresentasikan dengan diagram feynman

Gambar 2.4 Interaksi elektromagnetik e-e 

(Sumber : David, Griffith.2008:61)

dua elektron masuk daerah interaksi, terjadi pertukaran sebuah foton. Kemudian dua elektron muncul dengan lintasan resultannya (sebagai contoh, kecepatan dan arah gerak) dipengaruhi oleh gaya elektromagnetik yang dikomunikasikan. Diagram ini mendeskripsikan interaksi elektromagnetik dua elektron dimana secara klasik disebut gaya tolak coulomb. Interaksi ini dimediasi pertukaran foton

1. Gaya Kuat 

Gaya kuat bekerja antar quark membentuk meson dan hadron. Istilah gaya kuat mulanya sebagai gaya tarik menarik berjarak dekat antara dua nukleon yang sekarang disebut sebagai gaya nuklir. Begitu teori quark ditemukan, istilah gaya kuat digunakan untuk gaya diantara quark, sedangkan gaya nuklir digunakan sebagai gaya diantara nukleon. Gaya nuklir tidak lain adalah gaya sampingan dari gaya kuat. 

Gaya kuat meningkat seiring membesarnya jarak pemisahan sama seperti gaya yang dihasilkan pegas yang teregang. Gaya kuat antarquark seringkali disebut sebagai gaya warna karena gaya ini merupakan akibat muatan warna quark (red, blue, dan green). Oleh karena itu istilah gaya kuat dan gaya warna digunakan untuk mengacu pada gaya yang sama. 

Gaya warna antar quark dianalogikan dengan gaya listrik diantara muatan: quark dengan warna sama tolak menolak, sedangkan quark dengan warna yang berlawanan tarik menarik. Oleh karena itu dua quark hijau akan tolak menolak, tetapi quark hijau akan tarik menarik dengan antiquark hijau. Quark-quark dengan warna berbeda juga akan tarik menarik sekalipun intensitasnya lebih kecil dibandingkan dengan quark dan antiquark dengan warna berlawanan. Sebagai contoh, sekelompok quark merah, biru, dan hijau semuanya saling tarik-menarik membentuk baryon. 

Karakter medan kuat antarquark berbeda dengan medan elektromagnetik antar partikel bermuatan, diilustrasikan pada Gambar. Kerapatan garis medan listrik yang menembus luasan sebanding dengan kuat medan di lokasi tersebut. Dua muatan listrik dipisahkan pada jarak tertentu mengakibatkan kerapatan garis medan diantar dua muatan berkurang. Garis medan ini direpresentasikan oleh pertukaran virtual foton. Medan kuat berperilaku dengan cara berbeda.

(a) Medan listrik pada partikel bermuatan listrik (b) Medan warna  yang relatif konstan pada dua partikel bermuatan warna

(Sumber : Kenneth, Krane,1988 )

Gaya warna antarquark dimediasi vektor gluon. Karena gluon memiliki muatan warna dan antiwarna, kombinasi tiga warna dan antiwarna menurut teori grup SU(3) terdapat 8 jenis gluon yang merupakan “color octet”

(Sumber : Doanld,H Perkins 1987 )

Dan sebuah “color singlet”

(sumber : David,Griffith,2008;285)

“gluon singlet” tidak dapat eksis, jika gluon singlet ada, partikel ini akan bersifat seperti foton yang tidak biasa. Semua partikel bebas di alam umumnya bersifat “color singlet” hal ini menjelaskan mengapa “gluon octet” tidak tampak di alam sebagai pertikel bebas. Tetapi jika gluon singlet eksis partikel ini akan menjadi partikel bebas sekaligus juga memediasi gaya. 

Partikel ini akan dipertukarkan antara dua partikel “color singlet” contohnya proton dan neutron dan memberikan gaya berjangkauan panjang dengan kopling gaya kuat. hal ini pada kenyataannya tidak mungkin, gaya kuat hanya berjangkauan sangat pendek, sehingga hanya terdapat 8 jenis gluon yang dapat eksis.

Interaksi antara green quark dan blue quark melalui proses pertukaran gluon direpresentasikan melalui diagram feynman.

Gambar Diagram Feynman Untuk Interaksi Antar Quark Yang Dimediasi Gluon

(Sumber : www.hyperphysics.com)

Green quark mengemisikan gluon green antiblue dan diabsorbsi quark blue. Red quark kehilangan muatan warna hijau sehingga tidak dapat bermuatan hijau, dan mengemisikan muatan antibiru, sehingga quark menjadi bermuatan warna biru. Sedangkan quark biru menerima anti biru (sehingga tidak dapat bermuatan biru) dan hijau, menyebabkan quark ini menjadi bermuatan hijau, dan seterusnya.

Bentuk potensial interaksi kuat berbeda dengan potensial gaya elektromagnetik. Pada jarak kecil, interaksi seperti interaksi elektromagnetik,

tetapi pada jarak besar potensialnya haruslah bertambah sehingga mengungkung quark didalam hadron. Bentuk potensial gaya kuat yaitu:

Dimana f adalah “color factor” yang besarnya bergantung pada jenis gluon yang memediasi gaya kuat, sedangkan as merupakan konstanta kopling gaya kuat yang besarnya as=1 pada energi rendah (1 GeV) dan k adalah kerapatan energi tiap satuan panjang

Untuk Pembahasan lebih lengkap tentang Gaya Fundamental dalam Model standar yang didalamnya membahas Model Standar ( Fermion , Generasi Partikel, Gaya dan Partikel Boson,) dan Pembahasan Selanjutnya Tentang Gaya Lemah,dan Karateristik Interaksi Fundamental dapat kalian lihat dalam makalah Seminar Fisika Anwar Hidayat yang dapat kalian download dalam tautan dibawah ini,

Klik "download" untuk mengunduh filenya via google drive

Makalah Gaya-gaya Fundamental dalam Model Standar {Download}

Sekian , semoga bermanfaat