Fizik zarah

Fizik zarah (Jawi : فيزيك ذره ) ialah cabang fizik yang mengkaji zarah-zarah asas yang menghasilkan jirim dan sinaran, serta kesannya. Cabang ini juga dikenali sebagai fizik tenaga tinggi kerana kebanyakkan zarah asas tidak stabil dan cenderung untuk mereput atau menghasilkan jirim. Namun, zarah asas boleh dihasilkan dan dikesan semasa pelanggaran bertenaga antara zarah-zarah yang lain, sebagaimana yang telah dibuat di dalam pemecut zarah.

Menurut pemahaman masa kini, zarah-zarah asas ini merupakan pengujaan medan-medan kuantum yang juga mengawal interaksi antara zarah. Pengkaji fizik zarah moden lazimnya mengkaji Model Piawai dan mempunyai matlamat untuk menjelaskan pelbagai interaksi yang telah dikesan namun tidak dapat dijelaskan lagi. Model Piawai ialah teori yang buat masa ini dapat menjelaskan kewujudan zarah-zarah dan medan yang dikesan serta interaksi mereka.

Zarah-zarah subatom

Fizik zarah moden menumpukan penyelidikannya pada zarah-zarah subatom yang mempunyai struktur yang kurang, berbanding dengan atom. Zarah-zarah ini termasuk elektron, proton, dan neutron (sebenarnya, proton dan neutron adalah zarah komposit yang terdiri daripada kuark-kuark), serta zarah-zarah yang dihasilkan oleh proses penyinaran dan penyerakan (seperti foton, neutrino, dan muon), bersama-sama dengan berbagai-bagai zarah eksotik.

Sebenarnya, istilah zarah merupakan nama yang tidak kena kerana dinamik-dinamik fizik zarah dikuasai oleh mekanik kuantum. Oleh itu, zarah-zarah menampilkan kembaran zarah gelombang yang menunjukkan tindakan bak zarah di bawah keadaan-keadaan uji kaji yang tertentu dan tindakan bak gelombang di bawah keadaan-keadaan yang lain (berdasarkan alasan-alasan teknik, zarah-zarah diperihalkan sebagai keadaan vektor dalam ruang Hilbert; sila lihat teori medan kuantum). Mengikut kelaziman ahli-ahli fizik zarah, kita akan menggunakan istilah "zarah asas" untuk merujuk kepada objek-objek seperti elektron dan foton, dengan pemahaman bahawa "zarah-zarah" ini juga menampilkan sifat-sifat bak gelombang.

Semua zarah dan saling tindaknya yang dicerap sehingga hari ini boleh diperihalkan melalui teori medan kuantum yang digelarkan Model Piawaian. Model Piawai mempunyai 40 spesies zarah asas (24 fermion, 12 boson vektor, dan 4 skala) yang boleh bergabung untuk membentuk zarah-zarah komposit, dan telah menyebabkan beratus-ratus spesies zarah yang lain ditemui sejak dekad 1960-an. Model Piawai didapati serasi dengan hampir semua ujian uji kaji yang telah dijalankan sehingga hari ini. Bagaimanapun, kebanyakan ahli fizik zarah mempercayai bahawa model ini adalah pemerihalan Alam Semula Jadi yang tidak lengkap, dan sebuah teori yang lebih asas akan ditemui. Pada tahun-tahun kebelakangan ini, pengukuran-pengukuran jisim neutrino telah membekalkan penyimpangan-penyimpangan uji kaji yang pertama bagi Model Piawai.

Fizik zarah mempunyai kesan yang besar terhadap falsafah sains. Sesetengah ahli fizik zarah menyokong reduksionisme yang merupakan satu sudut pandangan yang telah dikritik oleh ahli-ahli falsafah dan ahli-ahli sains. Sebahagian perdebatannya mereka diperihalkan di bawah.

Sejarah

Idea bahawa semua jirim terdiri daripada zarah-zarah asas wujud sejak sekurang-kurangnya abad ke-6 SM. Doktrin falsafah atomisme telah dikaji oleh ahli-ahli falfasah Yunani seperti Leucippus, Democritus, dan Epicurus. Walaupun Isaac Newton pada abad ke-17 berpendapat bahawa jirim terdiri daripada zarah-zarah, namun John Dalton merupakan orang pertama secara rasminya menyatakan bahawa semua benda terdiri daripada atom-atom yang amat kecil pada tahun 1802.

Jadual berkala Dmitri Mendeleev yang pertama pada tahun 1869 membantu mengukuhkan pandangan yang tersebar luas pada sepanjang abad ke-19 bahawa atom-atom terdiri daripada elektron-elektron yang ringan dan proton-proton yang besar. Usaha-usaha J.J. Thomson pada akhir dekad 1890-an memastikan pandangan itu. Pada tahun 1911, Ernest Rutherford membuktikan bahawa proton-proton bertumpu di nukleus yang padat. Pada mula-mulanya, nukleus dianggap sebagai terdiri daripada proton dan elektron terkurung (supaya dapat menjelaskan perbezaan antara cas nuklear dengan nombor jisim), tetapi kemudian didapati bahawa nukleus itu sebenarnya terdiri daripada proton-proton dan neutron-neutron.

Pemeriksaan-pemeriksaan awal abad ke-20 dalam bidang fizik nuklear dan fizik kuantum memuncak dengan bukti-bukti pembelahan nuklear pada tahun 1939 oleh Lise Meitner (berdasarkan uji-uji kaji oleh Otto Hahn), dan pelakuran nuklear oleh Hans Bethe pada tahun yang sama. Penemuan-penemuan ini mewujudkan sebuah industri aktif untuk menghasilkan sejenis atom daripada jenis atom yang lain, dan membolehkan perubahan plumbum menjadi emas (walaupun tidak menguntungkan). Penemuan-penemuan ini juga menyebabkan perkembangan senjata-senjata nuklear.

Pada sepanjang dekad 1950-an dan 1960-an, amat banyak jenis zarah telah ditemui dalam uji-uji kaji penyerakan. Ini telah dirujuk sebagai "zoo zarah", tetapi gelaran ini tidak digunakan lagi selepas perumusan Model Piawai pada dekad 1970-an ketika bilangan zarah yang amat besar itu telah diterangkan sebagai gabungan-gabungan yang terdiri daripada hanya sebilangan kecil zarah-zarah asas.

Model Piawaian

Rencana utama: Model Piawaian

Pengelasan zarah-zarah asas yang terkini ialah Model Piawaian yang memerihalkan daya-daya asas kuat, lemah, dan elektromagnet melalui boson tolok perantaraan. Spesies-spesies boson tolok termasuk gluon, boson W^- dan W⁺ serta Z, dan foton. Model ini juga mengandungi 24 zarah asas yang merupakan juzuk-juzik jirim, iaitu kuark dalam 6 perisa, setiapnya dengan 3 jenis cas warna, dan 3 generasi lepton (elektron, muon dan tauon dengan neutrino masing-masing), semua ini setiapnya dengan antizarah yang sepadan. Akhirnya, kewujudan sejenis boson yang menyebabkan jisim kepada zarah-zarah, yang dinamakan boson Higgs, juga telah diramalkan tetapi masih belum ditemui.

Uji kaji

Dalam bidang fizik zarah, usaha sama antarabangsa yang utama ialah:

• Makmal Nasional Brookhaven yang terletak di Pulau Long, Amerika Syarikat. Kemudahan utamanya ialah Pelanggar Ion Berat Kerelatifan yang melanggarkan ion-ion berat seperti ion-ion emas (pelanggar ini merupakan pelanggar ion berat yang pertama) dan proton-proton.
• Institut Fizik Nuklear Budker (Novosibirsk, Rusia)
• CERN yang terletak di sempadan Perancis-Switzerland berhampiran dengan Geneva. Projek utamanya pada masa sekarang ialah Pelanggar Hadron Besar, atau LHC, yang kini sedang dibina. LHC akan memulakan operasinya pada tahun 2008 dan apabila siap kelak, akan merupakan pelanggar yang paling bertenaga di dunia. Kemudahan-kemudahan yang lebih awal termasuk Pelanggar Positron Elektron Besar (LEP) yang telah dihentikan pada tahun 2001 dan dibuka untuk pembinaan LHC; serta Sinkrotron Proton Besar (SPS).
• DESY yang terletak di Hamburg, Jerman. Kemudahan utamanya ialah PETRA yang melanggarkan elektron-positron, sehingga pertengahan 1980an, dan HERA yang melanggarkan elektron-proton dan positron-proton, sehingga 2007.
• Fermilab yang terletak dekat Chicago, Amerika Syarikat. Kemudahan utamanya ialah Tevatron yang melanggarkan proton-proton serta antiproton-antiproton, dan kini merupakan pelanggar zarah tenaga yang tertinggi di dunia.
• Pertubuhan Penyelidikan Pemecut Tenaga Tinggi Jepun (KEK) yang terletak di Tsukuba, Jepun. Pertubuhan ini adalah tempat asal untuk sebilangan uji kajian yang menarik seperti K2K, satu uji kaji ayunan neutrino, serta Belle, satu uji kaji yang mengukur pencabulan simetri CP dalam meson B.
• SLAC yang terletak dekat Palo Alto, Amerika Syarikat. Kemudahan utamanya ialah PEP-II yang melanggarkan elektron-elektron dan positron-positron.

Terdapat juga banyak pemecut zarah yang lain.

Teknik-teknik yang diperlukan untuk melaksanakan fizik zarah uji kaji moden amat berbeza-beza dan rumit, dan merupakan suatu subbidang yang hampir benar-benar berbeza dengan teori bidangnya. Sila lihat Kategori: Fizik zarah uji kajian untuk sebahagian senarai bagi idea-idea yang diperlukan untuk uji-uji kajian tersebut.

Teori

Fizik zarah teori mencuba mengembangkan model-model, kerangka teori, dan alat-alat matematik, untuk tujuan memahami uji-uji kaji serta membuat ramalan bagi uji-uji kaji masa depan (sila lihat juga fizik teori). Banyak usaha yang utama masih dilaksanakan dalam fizik zarah teori pada hari ini, dengan setiap usaha merangkumi berbagai-bagai aktiviti dan saling berkait.

Salah satu aktiviti utama dalam fizik zarah teori ialah percubaan untuk lebih memahami model piawai dan ujian-ujiannya. Melalui pemerolehan parameter-parameter model piawai yang lebih pasti daripada ujian-ujian, kerja ini memeriksa dengan teliti had-had model piawai dan dengan itu, telah mengembangkan pemahaman kita terhadap alam semula jadi. Usaha-usaha ini telah dirumitkan oleh pengiraan banyak kuantiti dalam kromodinamik kuantum, disebabkan sifatnya yang sukar. Sesetengah ahli teori yang melaksanakan usaha-usaha ini merujuk kepada diri sendiri sebagai ahli fenomenologi, dan mempergunakan alat-alat teori medan kuantum serta teori medan berkesan. Ahli-ahli teori yang lain mempergunakan teori medan kekisi dan menggelarkan diri sendiri sebagai ahli teori kekisi.

Lagi sebuah usaha yang utama adalah dalam pembinaan model. Pembina-pembina model ini mengembangkan idea-idea tentang sifat fizik di luar model piawai (iaitu, tentang tenaga-tenaga yang lebih tinggi atau jarak-jarak yang lebih pendek). Kerja-kerja ini seringnya didorong oleh masalah hierarki, tetapi dihadkan oleh data-data uji kajian yang sedia ada. Bidang-bidang yang terlibat dalam kerja-kerja ini termasuk supersimetri, alternatif-alternatif bagi mekanisme Higgs, dimensi-dimensi ruang tambahan (seperti model-model Randall-Sundrum), teori Preon, dan berbagai-bagai gabungan antara yang tersebut, ataupun idea-idea yang lain.

Usaha utama yang ketiga dalam fizik zarah teori ialah teori tali. Ahli-ahli teori tali mencuba membentuk satu huraian gabungan untuk mekanik kuantum dan kerelatifan am melalui sebuah teori yang berdasarkan tali-tali yang kecil serta brana-brana, dan bukannya berdasarkan zarah-zarah titik. Pelbagai model yang dimungkinkan kini boleh dilihat sebagai aspek-aspek berlainan suatu model tunggal menerusi kedualan, dan membawa kepada Teori M. Jika teori ini berjaya, teori ini boleh dianggap sebagai "Teori untuk Semua Perkara".

Terdapat juga bidang-bidang kerja yang lain dalam fizik zarah teori, dari kosmologi zarah ke graviti kuantum gelung. Pembahagian usaha-usaha ini dalam fizik zarah telah digambarkan oleh nama-nama kategori dalam arkib pra-cetak [1], iaitu hep-th (teori), hep-ph (fenomenologi), hep-ex (uji-uji kaji), hep-lat (teori tolok kekisi).

Reduksionisme

Pada sepanjang perkembangan fizik zarah, terdapat banyak perbalahan terhadap pendekatan reduksionisme (atau reduksionisme tamak) untuk mencuba menerangkan setiap perkara dari segi zarah-zarah asas dan saling-saling tindaknya. Perbalahan-perbalahan itu telah diutarakan oleh orang-orang daripada berbagai-bagai bidang, termasuk ahli-ahli fizik zarah moden, fizik keadaan pepejal, kimia, biologi, dan holisme metafizik. Sedangkan Model Piawai pada dirinya tidak dicabar, ahli-ahli tersebut menegaskan bahawa sifat zarah-zarah asas tidaklah lebih asas (atau kurang asas) berbanding sifat muncul atom-atom dan molekul-molekul, khususnya kesatuan besar atom dan molekul dari segi statistik. Sesetengah pengkritik reduktionisme mendakwa bahawa pengetahuan yang lengkap untuk zarah-zarah asas tidak akan memberikan pemahaman lengkap untuk proses-proses semula jadi yang lebih rumit, manakala pengkritik-pengkritik yang lain meragui bahawa pengetahuan yang lengkap untuk sifat zarah-zarah (sebagai sebahagian proses yang lebih besar) dapat diperoleh disebabkan ketaktentuan kuantum.

Ahli-ahli reduksionisme biasanya mendakwa bahawa pada setakat tertentu, semua kemajuan dalam sains-sains telah melibatkan reduksionisme.

Dasar awam

Hasil-hasil uji kaji dalam fizik zarah seringnya diperoleh melalui pemecut-pemecut zarah yang amat besar dan yang amat mahal (biasanya beberapa bilion dolar Amerika Syarikat). Oleh sebab belanja ini memerlukan pembiayaan kerajaan, penyelidikan fizik zarah selalu melibatkan persoalan-persoalan dasar awam.

Banyak orang telah memperdebatkan bahawa kemajuan-kemajuan zarah fizik yang dapat dijangka tidaklah secocok dengan wang yang akan dibelanja, dan mendakwa bahawa fizik zarah telah menelan wang yang seharusnya dipergunakan untuk usaha-usaha penyelidikan dan pendidikan yang lebih penting. Pada tahun 1993, Kongres Amerika Syarikat menghentikan projek Pelanggar Besar Superkonduktor (SSC) kerana kebimbangan yang serupa, selepas menghabiskan AS$2 bilion untuk pembinaannya. Banyak ahli sains, termasuk kedua-dua penyokong dan pembangkang SSC, mempercayai bahawa keputusan untuk menghentikan projek tersebut adalah disebabkan sebahagian oleh keakhiran Perang Dingin yang menghapuskan persaingan saintifik antara Amerika Syarikat dengan Kesatuan Soviet.

Sesetengah orang di dalam komuniti saintifik mempercayai bahawa fizik zarah telah dijejaskan oleh penuaan penduduk-penduduk yang menimbulkan persoalan-persoalan kesihatan yang harus diselesaikan dengan segera dan oleh itu, menyebabkan pembiayaan saintifik dari fizik zarah dialihkan kepada sains-sains biologi dan kesihatan. Selain itu, banyak pembangkang menyoal keupayaan mana-mana satu negara untuk bertahan daripada belanja yang diperlukan oleh fizik zarah dan menyalahkan SSC kerana tidak mencari pembiayaan antarabangsa.

Penyokong-penyokong pemecut zarah berpendapat bahawa penyelidikan teori-teori yang paling asas patut diberikan pembiayaan yang mencukupi kerana pembiayaan ini akan amat memanfaatkan bidang-bidang sains yang lain. Mereka menegaskan bahawa semua pemecut pada hari ini adalah projek-projek antarabangsa dan atas sebab ini, menyoal dakwaan bahawa wang yang tidak dibelanja untuk pemecut-pemecut akan dipergunakan untuk tujuan saintifik atau pendidikan yang lain.

Masa depan

Ahli-ahli fizik zarah antarabangsa bersetuju tentang matlamat-matlamat yang paling mustahak untuk penyelidikan zarah fizik pada masa depan jangka pendek dan jangka pertengahan, iaitu untuk mencari dan memahami fizik di luar model piawai. Ini dapat diusahakan melalui berbagai-bagai cara yang berbeza. Terdapat banyak alasan uji kaji yang kuat untuk menjangka sebuah fizik yang baru, termasuk jirim gelap dan jirim neutrino. Teori-teori zarah fizik juga membayangkan bahawa fizik baru ini dapat dijumpai pada skala-skala tenaga yang boleh dicapai. Bagaimanapun, yang paling mustahak adalah bahawa hasil-hasil yang tidak dijangka atau diramalkan akan membekalkan banyak peluang untuk membelajari alam semula jadi kita.

Kebanyakan usaha untuk mencari fizik baru ini menumpukan pada uji-uji kajian pelanggar yang baru. Satu matlamat jangka pendek (dari segi perbandingan) ialah penyiapan Pelanggar Hadron Besar (LHC) pada tahun 2007 yang akan meneruskan pencarian boson Higgs, zarah-zarah supersimetri (SUSY), dan fizik-fizik baru yang lain. Selain itu, matlamat jangka pertengahan ialah pembinaan Pelanggar Linear Antarabangsa (ILC) yang akan melengkapi LHC dengan membenarkan pengukuran yang lebih tepat untuk sifat zarah-zarah yang baru ditemui. Satu keputusan terhadap teknologi ILC telah dibuat pada Ogos 2004, tetapi persetujuan untuk tapaknya masih belum dicapai.

Selain itu, terdapat juga banyak uji kajian bukan pelanggar yang penting yang juga mencuba mencari dan memahami fizik di luar model piawai. Salah satu daripada usaha-usaha ini yang utama ialah penentuan jirim-jirim neutrino yang mungkin akan dihasilkan oleh pencampuran neutrino-neutrino dengan zarah-zarah yang amat berat. Tambahan pula, pencerapan-pencerapan kosmologi memberikan banyak kekangan yang berguna terhadap jirim gelap, walaupun sifat tepat jirim gelap tidak mungkin dapat ditentukan tanpa pelanggar-pelanggar. Akhirnya, batas-batas bawah untuk masa hayat proton yang amat panjang menyekat Teori-teori Penyatuan Agung pada skala-skala tenaga yang lebih tinggi daripada keupayaan uji-uji kaji pelanggar kini.

Lihat juga

• Fizik atom
• Senarai zarah
• Zarah asas
• Zarah subatom

Pautan luar

• Berita dan Sumber Fizik Zarah
• ARXIV.ORG: Pelayan pracetak
• Penggembaraan Zarah - projek pendidikan yang ditajai oleh Kumpulan Data Zarah, Makmal Nasional Lawrence Berkeley (LBNL)
• Sejarah fizik zarah Diarkibkan 2009-12-21 di Wayback Machine
• Majalah Simetri
• Pengenalan Fizik Zarah oleh Matthew Nobes (diterbitkan oleh Kuro5hin):
  • Bahagian 1
  • Bahagian 2
  • Bahagian 3a
  • Bahagian 3b
• Pangkalan Data Kesusasteraan Fizik Tenaga Tinggi
• Laman web CERN Courier – Jurnal Antarabangsa Fizik Tenaga Tinggi
• Fizik zarah dalam tempoh 60 saat