Fisika Inti

1. MAKALAH
KOSMOLOGI (PARTIKEL DALAM ALAM SEMESTA)
Disusun untuk memenuhi Tugas Mata Kuliah Fisika Inti
Oleh :
1. Kevin Maulana Krishna (4211411053)
2. Tri Susanti (4211411054)
3. Andi Firmansah (4211411056)
FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG
2014

2. BAB I
PENDAHULUAN
Sebagaimana ditulis oleh Krane (1992), setiap kemajuan baru di dalam pemahaman
jagad raya ternyata semakin memperkecil peran kita di dalamnya. Walaupun demikian, setiap
kemajuan ini selalu menimbulkan rasa kekaguman baru. Astronomi abad ke tujuh belas
mengungkapkan fakta bahwa bumi bukanlah pusat tata surya melainkan salah satu dari
beberapa planet yang mengitari matahari. Pada abad ke sembilan belas, para astronom
mengarahkan teleskopnya ke bintang-bintang dan menggunakan peralatan spektroskopi yang
dikembangkan untuk mengukur berbagai panjang gelombang cahaya bintang. Ditemukan
fakta bahwa matahari kita ternyata hanya sebuah bintang biasa yang kedudukannya tidaklah
istimewa dalam skala galaksi. Matahari kita ternyata adalah satu dari sekitar 1011 bintang
dalam galaksi kita yang dikenal dengan nama galaksi Bima Sakti.
Dari teleskop para astronom, terungkap pula beberapa objek aneh seperti gumpalan
nebula redup yaitu sepotong cahaya lebar yang melebihi ukuran bintang. Beberapa nebula ini
kemudian dapat disimpulkan sebagai kabut gas dalam galaksi, yang dapat menyatakan materi
baru dari mana bintang dibentuk, atau sisa dari bintang yang mengakhiri hidupnya dengan
ledakan dahsyat. Selain itu diperoleh pula nebula yang agak redup. Namun hal ini masih
menimbulkan pertanyaan, bagaimana sebenarnya hakikat nebula yang agak redup ini.
Kepastian tentang pertanyaan ini hanya dapat terpecahkan bila cahaya semua objek redup
dapat dipisahkan menjadi bintang-bintang tunggal. Hal ini adalah persoalan eksperimental
yang amat sulit, karena memerlukan pencahayaan sebuah pelat foto sepanjang malam, pada
saat mana para astronom bergulat dalam kedinginan malam di atas puncak gunung untuk
menjaga fokus teleskopnya tetap mengarah ke nebula, sebagai akibat rotasi bumi dan
perubahan suhu yang menyebabkan perubahan ukuran teleskop. Pada tahun 1920-an, Edwin
Hubble berhasil memisahkan cahaya berbagai bintang dalam galaksi tetangga kita, serta
menyimpulkan ukuran, kecemerlangan dan jaraknya dari kita.
Semakin banyak nebula dan galaksi yang ditemukan, semakin pula kedudukan kita di
jagad raya. Matahari kita tidak saja hanya satu dari sekitar 1011 bintang dalam galaksi Bima
Sakti, melainkan mungkin galaksi Bima Sakti sendiri merupakan satu di antara 1011 galaksi
yang ada di jagad raya.
Pengamatan Hubble juga menghasilkan pernyataan yang menarik : setiap galaksi
bergerak menjauhi kita (dan menjauhi yang lainnya) dengan kelajuan yang amat tinggi.
Semakin jauh sebuah galaksi dari kita, semakin tinggi lajunya. Kesimpulan mengesankan ini

3. akan menuntun kita ke model standar jagad raya beserta asal usulnya. Jika semua galaksi
bergerak saling menjauhi, maka mereka sebelumnya tentulah berdekatan. Jika kita kembali
cukup jauh ke masa lampau, semua materi tentulah berasal dari sebuah titik singularitas
berkerapatan takhingga yang mengalami ledakan dahsyat. Peristiwa itu dikenal sebagai Big
Bang (Ledakan Besar).
Informasi yang lebih menghebohkan datang menyusul. Pada tahun 1965, dua
astronom yang bernama Arno Penzias dan Robert Wilson menemukan pijaran radiasi latar
belakang gelombang mikro dari sisa-sisa ledakan besar yang mengisi seluruh jagad raya dan
terus menghujami bumi, meskipun telah mengalami pendinginan selama kurang lebih 15
milyar tahun. Karya eksperimental yang telah dirintis oleh Hubble, Penzias dan Wilson
merupakan landasan untuk berspekulasi mengenai asal mula, evolusi dan masa depan jagad
raya. Semua teori ini termasuk dalam bidang kajian kosmologi yang berasaskan pada teori
relativitas umum dengan paduan bidang astronomi, fisika partikel, fisika statistik,
termodinamika dan elektrodinamika. (Krane, 1992)
Di dalam jagad raya paling tidak terdapat empat jenis interaksi dasar (mungkin dapat
ditambah satu lagi yaitu interaksi maha lemah atau superweak). Keempat interaksi tersebut
masing-masing adalah interaksi kuat, lemah, elektromagnetik dan gravitasi. Interaksi
elektromagnetik (EM) bermediator foton dan berjangkauan jauh terjalin antara zarah-zarah
bermuatan listrik dan/atau bermomen magnet dan berlangsung secara makro dan mikro dalam
atom inti dan zarah elementer.
Pada materi massif seperti bintang dan galaksi, muatan mereka praktis netral sehingga
interaksi elektromagnetik tak bekerja pada struktur skala besar jagad raya. Pada pada skala ini,
hanya interaksi gravitasi saja yang bekerja. Oleh karena itu hukum gravitasi Einstein yang
didasarkan pada teori relativitas umum akan sanggup memberikan gambaran jagad raya
secara komprehensif, baik secara kualitatif maupun kuantitatif. Teori Gravitasi Einstein
sendiri mampu meramalkan beberapa fenomena di jagad raya dengan ketelitian tinggi. Teori
ini adalah teori yang menyempurnakan teori gravitasi Newton. Beberapa fenomena di jagad
raya yang terbuktikan.

4. BAB II
ISI
Partikel Pembentuk Alam Semesta
Alam semesta ini pada hakikatnya merupakan kumpulan atom-atom. Suatu atom
tersusun dari inti atom, yaitu proton-neutron dan elektron-elektron (partikel bermuatan
negatif yang mengeliligi inti atom). Pada awalnya, proton dan neutron dianggap merupakan
partikel dasar, namun eksperimen-ekseperimen yang melibatkan tumbukan antar proton atau
proton dengan elektron dengan kecepatan tinggi menunjukkan bahwa partikel-partikel
tersebut tersusun dari partikel partikel yang lebih kecil. Partikel-partikel tersebut disebut
Quark oleh fisikawan dari Institut Teknologi California bernama Murray Gell Mann yang
memenangkan hadiah nobel pada tahun 1969.
Quark memiliki ukuran yang sangat menakjubakan, yaitu 10-18m
(0,000000000000000001) meter. Quark jauh lebih kecil dari panjang gelombang cahaya
tampak sehingga tidak akan memiliki warna dalam keadaan yang sebenarnya. Proton dan
neutron terdiri dari tiga quark dengan warna yang berbeda. Proton terdiri atas dua quark up
dan satu quark down, sedangkan neutron tersusun dari dua quark down dan satu quark up.
Sementara elektron adalah partikel-partikel kecil, berukuran hampir seperdua ribu ukuran
neutron dan proton. Sebuah atom mempunyai jumlah elektron dan proton yang sama dan
setiap elektron bermuatan negatif yang setara dengan muatan posistif yang dikandung tiap
proton. Total muatan positif pada inti dan total muatan negatif pada elektron saling
meniadakan dan atom menjadi netral. Partikel-partikel ini tidak bekerja sendiri, akan tetapi ia
bekerja dengan berinterksi dengan partikel pembawa forsa atau gaya yang dikelompokkan
menjadi empat gaya menurut gaya yang terbawa, yaitu, gaya gravitas i, gaya elektromagnetik,
gaya nuklir lemah, dan yang terakhir gaya nuklir kuat.
Untuk menguraikan proton dan neutron menjadi quark-quark, diperlukan energi satu
milyar eV, yang setara dengan suhu 1013K (sepuluh triliun derajat), yaitu suhu alam semesta
ketika berusia 10-6 detik (sepersejuta detik sesudah waktu Nol). Jadi proton dan neutron baru
tercipta ketika alam semesta berusia 10-6 detik. Sebelum itu, alam semesta hanya berupa
kumpulan quark-quark dan lepton- lepton. Yang dimaksudkan dengan lepton adalah partikel-partikel
yang sangat ringan (massa sangat kecil), yaitu elektron beserta “saudara saudaranya”.
Perbedaan utama antara quark dan lepton adalah jenis interaksi yang bekerja pada mereka.
Quark mengalami interaksi gaya kuat dan gaya lemah, lepton hanya mengalami interaksi
gaya lemah dan tidak mengalami interaksi gaya kuat.

5. partikel cahaya yaitu foton, neutrino, antipartikelnya yaitu antineutrino, serta sejumlah
kecil neutron dan proton. Mereka semua berada dalam temperatur yang sama (para ilmuwan
biasa menyebutnya berada dalam kesetimbangan termal). Dalam keadaan ini, penghancuran
dan pembentukan partikel-partikel tersebut atau yang menghasilkan partikel lain berlangsung
seimbang. Kemudian, ketika usia kosmik mencapai sekira 0,74 detik setelah big bang,
temperatur alam semesta menurun menjadi sekira 10 miliar Kelvin. Saat itulah temperatur
neutrino dan antineutrino mulai berbeda dengan partikel yang lain. Pada temperatur sekira
itulah neutron meluruh menjadi proton dan partikel lain, sehingga jumlah proton menjadi
lebih banyak daripada neutron dibandingkan sebelumnya.
Selanjutnya, temperatur alam semesta terus menurun hingga mencapai beberapa
miliar Kelvin. Pada saat usia kosmik sekira 4,12 detik setelah big bang, reaksi elektron dan
positron memperlambat penurunan temperatur alam semesta dan menyisakan sejumlah kecil
elektron. Neutron pun terus meluruh menjadi proton. Selain itu pembentukan inti helium-4
dari neutron dan proton menjadi lebih banyak daripada penghancurannya.
Ada tiga contoh rantai reaksi pembentukan inti helium-4 ini. Pertama, neutron dan
proton bereaksi membentuk deuterium. Selanjutnya deuterium ini bereaksi dengan deuterium
membentuk tritium dan proton. Kemudian tritium bereaksi dengan deuterium untuk
membentuk helium-4 dan neutron. Kedua, neutron dan proton bereaksi membentuk
deuterium. Lalu deuterium bereaksi dengan deuterium membentuk helium-3 dan neutron.
Lalu helium-3 bereaksi dengan deuterium menghasilkan helium-4 dan proton. Proton dan
neutron yang dihasilkan pada kedua rantai reaksi ini dapat digunakan lagi pada reaksi lain.
Ketiga, neutron dan proton bereaksi membentuk deuterium. Lalu deuterium bereaksi dengan
deuterium membentuk helium-4 dan foton. Selain reaksi-reaksi tersebut ada juga reaksi-reaksi
lain, misalnya yang mengakibatkan terbentuknya lithium-7.
Suhu rata rata alam semesta sekarang adalah tiga derajat Kelvin. Di masa silam, suhu
alam semesta rata-rata bersuhu 104K pada saat 500.000 tahun sesudah waktu Nol. Jadi, atom
baru tercipta ketika alam semesta berusia sekitar 500.000 tahun. Sebelum itu, alam semesta
merupakan kumpulan-kumpulan inti atom dan elektron elektron, yang belum mampu
bergabung membentuk atom, sebab suhu masih terlalu tinggi.
Para pionir dalam bidang ini adalah Gamow, Alpher, dan Herman yang
mempublikasikan prediksi mereka pada era 1940-an dan 1950-an. Kerja mereka ini
dilanjutkan ilmuwan lain dengan perhitungan yang lebih mendetail.
Sampai sekarang, tingkat akurasi perhitungan tersebut sangat tinggi, dengan
kemungkinan kesalahan sekira 1aja. Kelimpahan unsur-unsur ringan yang mereka perkirakan

6. adalah dalam sepuluh miliar inti atom hidrogen, ada ratusan ribu deuterium, ratusan ribu
helium-3, dan beberapa lithium-7 yang berasal dari big bang nucleosynthesis. Sedangkan
untuk helium-4 adalah sekira 24ari total materi biasa yang ada di alam semesta ini.
Era Atom
Terbentuknya inti hidrogen dan helium menandai kemunculan era baru yang
dinamakan era atom. Pada era ini, yang berlangsung dari tahun ke 380.000 hingga tahun ke
1.000.000.000, suhu alam semesta telah memungkinkan bagi terbentuknya inti atom dengan
jumlah proton-neutron yang lebih banyak. Semakin turunnya suhu dan kerapatan alam
semesta, pada gilirannya memungkinkan inti- inti yang terbentuk menangkap elektron dan
membentuk atom yang stabil. Pada era ini, unsur-unsur ringan di alam semesta yang kita
kenal saat ini sebagian besar telah terbentuk.
Era Bintang dan Galaksi
Akhirnya, setelah era atom berakhir, maka dimulailah era bintang dan galaksi.Era ini
dimulai pada tahun ke 1.000.000.000 setelah “ledakan besar”. Gaya gravitasi, yang
merupakan perwujudan dari kelengkungan ruang-waktu akibat kehadiran massa, mulai
berperan secara signifikan seiring dengan kondisi alam semesta yang telah mencapai suhu
rata-rata sama dengan suhu yang terdeteksi saat ini, tetapi dengan volume yang terus
berkembang. Peranan gravitasi yang dominan mengakibatkan atom-atom berkumpul
membentuk bintang dan galaksi. Pembentukan dimulai dari objek yang paling kecil seperti
bintang dan kemudian menjadi yang paling besar seperti gugus galaksi. Berdasarkan
observasi melalui teleskop Hubble, hingga saat ini objek langit yang paling ja uh dan paling
tua yang bisa diamati adalah quasar dengan
usia sekitar 13 milyar tahun. Angka ini
ditenggarai juga sebagai usia alam semesta.
Berdasarkan angka tersebut pula,
diperkirakan jari-jari alam semesta adalah
sekitar 1026 meter. Quasar adalah objek
langit yang memiliki ukuran sebesar bintang
tetapi memiliki kecerlangan sebuah galaksi.

7. Partikel Higgs boson
Dalam jagat raya kita terdapat kevakuman (ruang-waktu) yang luar biasa luas, yang
dinamakan “cosmic voids”, tapi berisi energi dan berbagai medan gaya. Karena materi dalam
jagat raya ini punya massa (juga ada partikel yang nyaris tak memiliki massa), pastilah ada
suatu “faktor” yang menyebabkan massa bisa ada di dalam kevakuman kosmik yang berisi
energi itu. Maka diteorikan oleh Peter Higgs di tahun 1964, bahwa haruslah ada medan Higgs
dan partikel Higgs boson, yang memberi massa pada materi. Tanpa Higgs boson, partikel-partikel
fundamental akan tercerai berai sehingga materi tak akan terbentuk dan jaga raya,
karenanya, tak akan pernah ada.
Higgs boson mempersatukan partikel-partikel sehingga kohesif, alhasil massa
terbentuk, dua materi menjadi ada. Metaforanya begini: Higgs boson itu seperti sebuah
magnit yang sangat kuat, sehingga menarik dan menyatukan semua jarum yang semula
tercerai-berai. Sejak diteorikan 50 tahun lalu, para fisikawan memburu partikel Higgs boson
minimal di atas kertas dalam perhitungan matematis, dan ketika LHC sudah dibangun,
perburuan dimungkinkan secara empiris. Dengan membenturkan dua proton di dalam LHC,
sebuah partikel Higgs boson dihasilkan.
Contoh data yang disimulasikan di CERN:
tabrakan antara dua proton menghasilkan partikel Higgs boson
Setelah keberadaan Higgs boson dikonfirmasi (Juli 2012), para fisikawan pun mulai
memikirkan dalam-dalam akibat penemuan ini pada bidang-bidang kajian sains lain,
khususnya kosmologi. Ternyata akibat adanya partikel Higgs boson dan diketahuinya besar
massanya dan berbagai sifatnya, kosmologi kembali menjadi fokus.

8. Higgs boson itu adalah sebuah partikel subatomik, ada di dalam ruang atom dalam
dunia mikrokosmik yang dinamakan dunia mekanika quantum. Tetapi penemuan partikel
Higgs membawa orang ke dunia maha luas, jagat raya kita, bidang kajian kosmologi
Kevakuman jagat raya, yang senantiasa berisi energi. Vakum jagat raya dapat berada
pada kondisi-kondisi dengan besaran energi yang berlainan, tak sama dari satu ruang vakum
ke ruang vakum lainnya. Jagat raya berada pada kondisi paling stabil jika energinya (yang
ekuivalen dengan massa) berada pada kondisi paling rendah, yang tidak menimbulkan
fluktuasi. Dalam kevakuman kosmik inilah medan Higgs ada dan memenuhinya, suatu
kondisi mutlak untuk munculnya materi di dalam “cosmic voids”. Supaya materi dan jagat
raya yang ada, tetap berada dalam kondisi stabil, niscaya massa Higgs boson dan stabilitas
vakum jagat raya kait-mengait.
Menurut teori dalam model standard fisika partikel, hanya jika massa Higgs boson
lebih besar dari 129 Gigaelektronvolt (GeV), jagat raya akan stabil. Tapi Higgs boson yang
dikonfirmasi Juli 2012 ternyata memiliki massa 126 GeV, cukup ringan sehingga akan
membuat jagat raya tak stabil. Dalam suatu kosmos yang tak stabil, gelembung-gelembung
jagat raya alternatif akan muncul dari suatu tempat, dan begitu saja akan mengembang. Jika
jagat raya alternatif muncul begitu saja dari kondisi kosmik yang tak stabil, jagat raya yang
ada akan lenyap ditelan olehnya. Begitulah, dikonfirmasinya Higgs boson, mengonfirmasi
juga jagat raya yang berevolusi siklikal: dari ada jadi tiada, lalu akan ada lagi, lalu tiada lagi,
dan seterusnya. Jagat raya yang di dalamnya anda tinggal tidak stabil, dan di masa depan
akan lenyap ditelan jagat raya alternatif. Kita jadi paham, partikel Higgs boson bukan
hanya memberi massa pada materi sehingga jagat raya dimungkinkan terbentuk, te tapi
juga nanti partikel yang sama akan melenyapkan jagat raya yang semula dibentuknya.
Tetapi masih ada alternatif untuk bisa menghasilkan jagat raya yang stabil. Di sinilah
para fisikawan tertantang, setelah partikel Higgs dikonfirmasi. Teori tentang jagat raya yang
stabil, mengharuskan orang berpaling ke teori supersimetri. Teori supersimetri, setiap partikel
biasa memiliki partikel mitra yang massanya lebih besar, yang dinamakan “superpartner”.
Jika massa partikel Higgs terlalu ringan sehingga akan membuat jagat raya tak stabil, masih
ada faktor lain yang bisa mengubah pengetahuan kita mengenai kondisi ini. Faktor lain itu
harus datang dari “superpartner” partikel Higgs boson, yang para saintis namakan “top
quark”, yang masih harus diburu dan diukur ma ssanya. Dalam perhitungan matematis, jagat
raya akan stabil jika massa “top quark” lebih besar dari massa partikel pasangannya, Higgs
boson. Partikel Higgs boson yang ringan harus diimbangi oleh “top quark” yang massanya
lebih besar, jika kondisi stabil jagat raya mau tercipta.

9. Maka setelah penemuan Higgs boson, yang harus dikonfirmasi adalah berapa besar
massa “top quark” yang sebenarnya, kembali lewat LHC. Tapi sementara ini LHC sedang
dinonaktifkan selama dua tahun ke depan untuk keperluan reparasi dan meningkatkan
powernya jauh melebihi yang sekarang. Jadi perburuan terhadap “top quark” untuk mengukur
massanya akan mulai bisa dilakukan sejak tahun 2015, untuk memastikan apakah jagat raya
kita stabil atau tak stabil, apakah akan lenyap ditelan jagat raya alternatif di masa depan,
bermilyar-milyar tahun dari sekarang. Diduga, teori kosmologis (lama) bahwa jagat raya kita
berevolusi siklikal, ada lalu tiada lalu ada lagi dan seterusnya, akan dikonfirmasi.

10. BAB III
PENUTUP
Kesimpulan
Pada saat alam semesta berusia 10-6 detik proton dan neutron baru tercipta. Sebelum
itu, alam semesta hanya berupa kumpulan quark-quark dan lepton- lepton. Proton dan neutron
merupakan partikel dasar dalam pembentukan alam semesta, tetapi partikel-partikel tersebut
tersusun dari partikel partikel yang lebih kecil. Partikel-partikel tersebut disebut Quark.
Sedangkan lepton adalah partikel-partikel yang sangat ringan (massa sangat kecil).
Pada tahun 2012 ditemukan partikel Higgs boson. Higgs boson mempersatukan
partikel-partikel sehingga kohesif, alhasil massa terbentuk, dua materi menjadi ada.
Metaforanya adalah Higgs boson itu seperti sebuah magnit yang sangat kuat, sehingga
menarik dan menyatukan semua jarum yang semula tercerai-berai. Tanpa Higgs boson,
partikel-partikel fundamental akan tercerai berai sehingga materi tak akan terbentuk dan jaga
raya, karenanya, tak akan pernah ada. Higgs boson diteorikan pertama kali oleh Peter Higgs
di tahun 1964.

11. DAFTAR PUSTAKA
Anugraha, Rinto.2011.Teori Relativitas dan Kosmologi.Yogyakarta : UGM
http://www.fisikanet.lipi.go.id/
http://www.isains.com/
http://www.rabithah-alawiyah.org/