Penemuan Partikel Eksotik Pentaquark

Partikel baru yang terdiri dari lima buah quark (tepatnya empat quark dan satu anti-quark) berhasil ditemukan setelah eksistensinya berhasil dikonfirmasi oleh lima eksperimen terpisah di seluruh dunia. Adalah kelompok fisikawan yang bekerja di laboratorium SPRING-8 di Osaka, Jepang, yang pertama kali mengamati partikel bermassa 1,54 giga elektronvolt (sekitar satu setengah kali massa proton) ini. Hasil penemuan mereka dipublikasikan di Physical Review Letters, salah satu jurnal fisika ternama di Amerika, bulan lalu. Tidak begitu lama, eksperimen tersebut berhasil dikonfirmasi oleh kolaborasi penelitian DIANA di Rusia serta kolaborasi CLAS di Jefferson Lab, Virginia, USA. Terakhir, kolaborasi penelitian HERMES di laboratorium DESY di Hamburg, Jerman, dan kolaborasi SAPHIR di Bonn, Jerman, juga melaporkan hal yang sama. Bulan lalu BBC online serta harian USA Today juga memuat berita mengejutkan ini.


Saking barunya, nama partikel yang bermuatan sama dengan positron ini pun masih belum disepakati. Sebagian fisikawan masih menyebutnya sebagai partikel Z⁺, sementara akhir-akhir ini kebanyakan menyatakannya sebagai Theta+ atau partikel eksotik pentaquark (lima quark). Meski tidak dilarang oleh Model Standar yang secara resmi dianut oleh semua fisikawan, keberadaan partikel pentaquark selama ini sulit dideteksi. Namun, kemajuan pesat di dunia akselerator serta semakin canggihnya detektor partikel saat kini mengakhiri perburuan partikel yang telah diramalkan sejak sekitar 30 tahun lalu. Penemuan ini tentu saja memiliki konsekuensi serius pada pandangan umat manusia terhadap alam semesta, karena selama ini quark yang merupakan bahan dasar penyusun jagad raya diketahui hanya dapat membentuk partikel sub-atomik dalam kombinasi  dua atau tiga quark saja.

Apakah Quark Itu?

Semula quark diramalkan oleh Murray Gell-mann dan George Zweig sebagai partikel fundamental pada tahun 1964. Nama quark dipilih oleh Gell-Mann. Nama ini muncul dalam novel karya James Joyce berjudul Finnegan's Wake pada satu kalimat : "three quarks for Muster Mark".  Ide ini sangat revolusioner karena memperkenalkan sub-partikel  baru yang bermuatan +2/3 dan -1/3 muatan proton. Namun pada mulanya ia hanya dianggap sebagai partikel fiksi matematik karena quark tidak pernah berada dalam keadaan bebas. Quark hanya dapat hidup di dalam partikel-partikel subatomik seperti proton, netron, atau pion. Gaya kuat yang mengikat quark di dalam partikel tersebut akan bertambah besar jika kita ingin mengeluarkannya. Meski demikian, hasil-hasil eksperimen selama hampir 40 tahun terakhir telah memperlihatkan bahwa keberadaan quark bukan lagi hal yang mustahil.

Hingga saat ini telah dikenal enam jenis quark yang diberi nama up, down, strange, charm, bottom, dan top (u, d, s, c, b dan t). Bersama-sama dengan lepton dan partikel interaksi (gauge-boson), ke-enam jenis quark tersebut menyusun jagad raya yang kita tempati ini, termasuk diri kita sendiri. Dua quark yang paling ringan adalah quark up dan down. Keduanya merupakan konsituen proton dan netron yang membangun mayoritas isi jagad raya.

Quark jenis ketiga disebut quark strange (aneh) karena quark ini selalu terdapat pada partikel-partikel yang memiliki bilangan keanehan seperti kaon dan hyperon.

Pada tahun 1974 di pusat akselerator linier Stanford (SLAC) ditemukan quark charm di dalam suatu partikel baru yang disebut Psi. Secara simultan di laboratorium nasional Brookhaven quark jenis ini ditemukan dalam partikel yang mereka sebut sebagai J. Partikel yang kini dikenal sebagai partikel J/\Psi ini  adalah kombinasi dari quark charm dan anti-charm (cc).

Quark jenis kelima adalah beauty atau bottom yang pertama kali teridentifikasi di laboratorium nasional Fermi (Fermilab) pada tahun 1977.  Di tempat yang sama pada tahun 1995 ditemukan quark jenis terakhir yang diberi nama top atau truth. Jenis ini merupakan quark yang paling masif, beratnya sekitar 190 kali berat sebuah proton.

Partikel eksotik pentaquark disusun oleh dua quark up, dua quark down, serta satu quark anti-strange. Kombinasi uudds ini menghasilkan muatan yang sama dengan muatan proton, namun memiliki bilangan keanehan satu, serta identik dengan sistem partikel kaon positif dan netron K⁺n . Tidaklah mengherankan, jika dalam publikasi mereka, kolaborasi SPRING-8 menyatakan bahwa penemuan mereka dapat diterjemahkan sebagai sistem quark uudds atau sistem partikel K⁺n.

Penemuan Partikel Pentaquark

Di laboratorium SPRING-8 partikel pentaquark diamati melalui rangkaian percobaan sebagai berikut. Seberkas sinar laser dihamburkan pada berkas elektron yang memiliki energi 8 giga elektronvolt yang bersirkulasi dalam sebuah sinkrotron. Hamburan ini menghasilkan foton dengan energi cukup tinggi yang selanjutnya ditumbukkan pada sebuah target berisi karbon. Hasil dari tumbukan ini adalah kaon bermuatan negatif, proton, partikel pentaquark yang dalam waktu yang cukup singkat (antara 10 - 20 detik) akan meluruh menjadi sebuah kaon bermuatan positif dan sebuah netron, serta sisa-sisa tumbukan lainnya. Semua partikel yang dihasilkan ditangkap oleh detektor seperti diperlihatkan pada Gambar 1. Keberadaan partikel pentaquark ditunjukkan oleh suatu peak (puncak) pada distribusi spektrum massa yang hilang di dalam proses. Fenomena ini sering dijumpai pada kasus penelitian partikel resonansi baryon, namun lebar dari peak pada kasus pentaquark jauh lebih kecil dibandingkan dengan partikel resonansi. Pada kasus pentaquark lebar peak hanya sekitar 20 mega elektronvolt, sedangkan untuk resonansi baryon dapat mencapai 500 mega elektronvolt. Konsekuensinya, partikel pentaquark dapat hidup lebih lama (10 - 20 detik) dibandingkan dengan partikel resonansi baryon (sekitar 10^-10 detik).

Proses produksi partikel eksotik pentaquark pada laboratorium SPRING-8, Osaka, Jepang

Di laboratorium Jefferson, Virginia, para eksperimentator menggunakan foton hasil proses bremstrahlung dari berkas elektron berenergi kinetik tinggi. Foton tersebut ditembakkan pada target yang berupa deuteron. Hasil tumbukan ini adalah sebuah proton, kaon  bermuatan negatif, serta partikel pentaquark. Seperti pada kasus sebelumnya, partikel pentaquark akan segera meluruh dan dideteksi oleh detektor CLAS. Proses ini dilukiskan pada gambar 2 yang jelas lebih sederhana dibandingkan dengan proses sebelumnya. Dalam kasus ini keberadaan partikel pentaquark ditunjukkan oleh suatu peak pada distribusi massa invarian sistem partikel K⁺n .

Proses produksi partikel pentaquark pada laboratorium Jefferson, Virginia, USA

Saat ini, topik penelitian partikel pentaquark merupakan topik yang sangat ``panas''. Puluhan paper hasil penelitian teoretis segera muncul dalam waktu singkat setelah eksperimen pertama dikonfirmasi. Beberapa eksperimen untuk memproduksi partikel ini juga telah diusulkan, yaitu melalui tumbukan antara kaon dan nukleon, foton dengan proton, dan lain-lain.

(Penulis adalah staf pengajar pada Departemen Fisika FMIPA UI dan pernah menjadi anggota kolaborasi CLAS dan SAPHIR)Partikel baru yang terdiri dari lima buah quark (tepatnya empat quark dan satu anti-quark) berhasil ditemukan setelah eksistensinya berhasil dikonfirmasi oleh lima eksperimen terpisah di seluruh dunia. Adalah kelompok fisikawan yang bekerja di laboratorium SPRING-8 di Osaka, Jepang, yang pertama kali mengamati partikel bermassa 1,54 giga elektronvolt (sekitar satu setengah kali massa proton) ini. Hasil penemuan mereka dipublikasikan di Physical Review Letters, salah satu jurnal fisika ternama di Amerika, bulan lalu. Tidak begitu lama, eksperimen tersebut berhasil dikonfirmasi oleh kolaborasi penelitian DIANA di Rusia serta kolaborasi CLAS di Jefferson Lab, Virginia, USA. Terakhir, kolaborasi penelitian HERMES di laboratorium DESY di Hamburg, Jerman, dan kolaborasi SAPHIR di Bonn, Jerman, juga melaporkan hal yang sama. Bulan lalu BBC online serta harian USA Today juga memuat berita mengejutkan ini.

Saking barunya, nama partikel yang bermuatan sama dengan positron ini pun masih belum disepakati. Sebagian fisikawan masih menyebutnya sebagai partikel Z⁺, sementara akhir-akhir ini kebanyakan menyatakannya sebagai Theta+ atau partikel eksotik pentaquark (lima quark). Meski tidak dilarang oleh Model Standar yang secara resmi dianut oleh semua fisikawan, keberadaan partikel pentaquark selama ini sulit dideteksi. Namun, kemajuan pesat di dunia akselerator serta semakin canggihnya detektor partikel saat kini mengakhiri perburuan partikel yang telah diramalkan sejak sekitar 30 tahun lalu. Penemuan ini tentu saja memiliki konsekuensi serius pada pandangan umat manusia terhadap alam semesta, karena selama ini quark yang merupakan bahan dasar penyusun jagad raya diketahui hanya dapat membentuk partikel sub-atomik dalam kombinasi  dua atau tiga quark saja.

Apakah Quark Itu?

Semula quark diramalkan oleh Murray Gell-mann dan George Zweig sebagai partikel fundamental pada tahun 1964. Nama quark dipilih oleh Gell-Mann. Nama ini muncul dalam novel karya James Joyce berjudul Finnegan's Wake pada satu kalimat : "three quarks for Muster Mark".  Ide ini sangat revolusioner karena memperkenalkan sub-partikel  baru yang bermuatan +2/3 dan -1/3 muatan proton. Namun pada mulanya ia hanya dianggap sebagai partikel fiksi matematik karena quark tidak pernah berada dalam keadaan bebas. Quark hanya dapat hidup di dalam partikel-partikel subatomik seperti proton, netron, atau pion. Gaya kuat yang mengikat quark di dalam partikel tersebut akan bertambah besar jika kita ingin mengeluarkannya. Meski demikian, hasil-hasil eksperimen selama hampir 40 tahun terakhir telah memperlihatkan bahwa keberadaan quark bukan lagi hal yang mustahil.

Hingga saat ini telah dikenal enam jenis quark yang diberi nama up, down, strange, charm, bottom, dan top (u, d, s, c, b dan t). Bersama-sama dengan lepton dan partikel interaksi (gauge-boson), ke-enam jenis quark tersebut menyusun jagad raya yang kita tempati ini, termasuk diri kita sendiri. Dua quark yang paling ringan adalah quark up dan down. Keduanya merupakan konsituen proton dan netron yang membangun mayoritas isi jagad raya.

Quark jenis ketiga disebut quark strange (aneh) karena quark ini selalu terdapat pada partikel-partikel yang memiliki bilangan keanehan seperti kaon dan hyperon.

Pada tahun 1974 di pusat akselerator linier Stanford (SLAC) ditemukan quark charm di dalam suatu partikel baru yang disebut Psi. Secara simultan di laboratorium nasional Brookhaven quark jenis ini ditemukan dalam partikel yang mereka sebut sebagai J. Partikel yang kini dikenal sebagai partikel J/\Psi ini  adalah kombinasi dari quark charm dan anti-charm (cc).

Quark jenis kelima adalah beauty atau bottom yang pertama kali teridentifikasi di laboratorium nasional Fermi (Fermilab) pada tahun 1977.  Di tempat yang sama pada tahun 1995 ditemukan quark jenis terakhir yang diberi nama top atau truth. Jenis ini merupakan quark yang paling masif, beratnya sekitar 190 kali berat sebuah proton.

Partikel eksotik pentaquark disusun oleh dua quark up, dua quark down, serta satu quark anti-strange. Kombinasi uudds ini menghasilkan muatan yang sama dengan muatan proton, namun memiliki bilangan keanehan satu, serta identik dengan sistem partikel kaon positif dan netron K⁺n . Tidaklah mengherankan, jika dalam publikasi mereka, kolaborasi SPRING-8 menyatakan bahwa penemuan mereka dapat diterjemahkan sebagai sistem quark uudds atau sistem partikel K⁺n.

Penemuan Partikel Pentaquark

Di laboratorium SPRING-8 partikel pentaquark diamati melalui rangkaian percobaan sebagai berikut. Seberkas sinar laser dihamburkan pada berkas elektron yang memiliki energi 8 giga elektronvolt yang bersirkulasi dalam sebuah sinkrotron. Hamburan ini menghasilkan foton dengan energi cukup tinggi yang selanjutnya ditumbukkan pada sebuah target berisi karbon. Hasil dari tumbukan ini adalah kaon bermuatan negatif, proton, partikel pentaquark yang dalam waktu yang cukup singkat (antara 10 - 20 detik) akan meluruh menjadi sebuah kaon bermuatan positif dan sebuah netron, serta sisa-sisa tumbukan lainnya. Semua partikel yang dihasilkan ditangkap oleh detektor seperti diperlihatkan pada Gambar 1. Keberadaan partikel pentaquark ditunjukkan oleh suatu peak (puncak) pada distribusi spektrum massa yang hilang di dalam proses. Fenomena ini sering dijumpai pada kasus penelitian partikel resonansi baryon, namun lebar dari peak pada kasus pentaquark jauh lebih kecil dibandingkan dengan partikel resonansi. Pada kasus pentaquark lebar peak hanya sekitar 20 mega elektronvolt, sedangkan untuk resonansi baryon dapat mencapai 500 mega elektronvolt. Konsekuensinya, partikel pentaquark dapat hidup lebih lama (10 - 20 detik) dibandingkan dengan partikel resonansi baryon (sekitar 10^-10 detik).

Proses produksi partikel eksotik pentaquark pada laboratorium SPRING-8, Osaka, Jepang

Di laboratorium Jefferson, Virginia, para eksperimentator menggunakan foton hasil proses bremstrahlung dari berkas elektron berenergi kinetik tinggi. Foton tersebut ditembakkan pada target yang berupa deuteron. Hasil tumbukan ini adalah sebuah proton, kaon  bermuatan negatif, serta partikel pentaquark. Seperti pada kasus sebelumnya, partikel pentaquark akan segera meluruh dan dideteksi oleh detektor CLAS. Proses ini dilukiskan pada gambar 2 yang jelas lebih sederhana dibandingkan dengan proses sebelumnya. Dalam kasus ini keberadaan partikel pentaquark ditunjukkan oleh suatu peak pada distribusi massa invarian sistem partikel K⁺n .

Proses produksi partikel pentaquark pada laboratorium Jefferson, Virginia, USA

Saat ini, topik penelitian partikel pentaquark merupakan topik yang sangat ``panas''. Puluhan paper hasil penelitian teoretis segera muncul dalam waktu singkat setelah eksperimen pertama dikonfirmasi. Beberapa eksperimen untuk memproduksi partikel ini juga telah diusulkan, yaitu melalui tumbukan antara kaon dan nukleon, foton dengan proton, dan lain-lain.

(Penulis adalah staf pengajar pada Departemen Fisika FMIPA UI dan pernah menjadi anggota kolaborasi CLAS dan SAPHIR)


Credit : Terry Mart ( http://staff.fisika.ui.ac.id/tmart/penta.html)

Exotic Physics and Theory

Exotic Physics and Theory

Ultra-high fields of high-power, short-pulse lasers pose very important possibilities for fundamental physics. The main goal of this Research Activity is to explore both theoretically and experimentally the ultra-relativistic (above 10²³ W/cm²) regime of laser-matter interaction, called Exotic physics.

Research Activity Description

This largely untouched intensity territory will provide access to fundamental physical effects with much higher characteristic energies and will regroup many subfields of contemporary physics (atomic physics, plasma physics, particle physics, nuclear physics, gravitational physics, nonlinear field theory, ultrahigh-pressure physics, astrophysics and cosmology). In a longer-term perspective, relativistic compression offers the potential of intensities exceeding 10²⁵ W/cm², which will challenge the vacuum critical field as well as provide a new avenue to ultrafast attosecond (10^-18 s) and even zeptosecond (10^-21 s) studies of laser-matter interaction.
The technological breakthrough of laser chirped-pulse amplification has led to unprecedented laser powers and intensities, the current experimental record being about PW and 10²² W/cm², respectively. Up to 3 orders of magnitude may be achieved at the planned ELI facility. For laser intensity of 10²⁶ W/cm², an electron will undergo an acceleration of 10²⁷ g, comparable to the gravitational acceleration at the event horizon of a black hole. This high acceleration can be used to study Unruh radiation generation. At sufficiently high intensities, even vacuum can be broken down. The field necessary to achieve pair creation (“boil the vacuum”) is the so-called Schwinger field limit.
ELI will offer much higher intensity levels either directly with the laser or by relativistic compression. The optical field could then reach the critical field value. In this limit the laser pulse-plasma interaction demonstrates effects of the radiation friction force and quantum electrodynamics effects of nonlinear vacuum polarization and electron-positron pair creation. In this limit, novel mechanisms of ion acceleration occur. Since the energy of the resulting ion bunch can be over 100 GeV per nucleon, this ion acceleration regime would be suitable for quark-gluon plasma studies and could be used in the investigation of neutrino oscillations. In essence, ultra-relativistic intensities could unify nuclear physics, high-energy physics, astrophysics and cosmology.
Apart from these truly exotic research fields, other nonlinear quantum electrodynamics effects could be accessed at slightly modest fields. The ELI community is eager to study such phenomena which consist in converting photon energy directly into creation of electrons and positrons. There are plenty of strong-field QED processes, which may be roughly categorized into two classes: “loop” (strong-field vacuum polarization, spontaneous pair production) and “tree-level” (perturbative pair production, pair annihilation, Compton scattering) processes. For petawatt-class lasers, a nontrivial electron-positron pair can be created. Nowadays positron emission from direct interaction of petawatt laser pulses with solid targets has the main disadvantage of no operation at high repetition rate, thus limiting the yield of positron emission. However this limit will be easily overcome at the future ELI facility. From this point of view, ELI will explore new regimes and try to map out the basic phenomena concerning the QED theory. Distorting the vacuum with lasers has been suggested long time ago but never achieved experimentally due to the lack of sufficient laser power. ELI laser intensity regime will open up the way towards novel experimental capabilities.

Some of the particular QED phenomena that will be studied at ELI are:

1. Electron-positron plasmas
2. Vacuum four-wave mixing
3. Vacuum polarisation
4. Vacuum birefringence
5. Unruh radiation
6. QED cascades: Inverse Compton Scattering
7. Quark-gluon plasmas

Main outcomes of the Research Activity

The unprecedented laser intensities available at ELI will allow to test the fundamental predictions of Quantum Electrodynamics (QED) in external strong laser fields. Within this Research Activity, we will theoretically investigate purely quantum electrodynamical (classically forbidden) processes that occur in the presence of extremely intense laser field and which can be observed experimentally at ELI. In particular, we will consider absorptive vacuum polarization effects and dispersive vacuum polarization effects. The main outputs will be advanced theories describing QED processes relevant to exotic physics, numerical modelling, and preparation of proof-of-principle experiments. A versatile target area with multiple high intensity beams will be designed. Some of these experiments will be based on a configuration of two counter propagating fundamental beams focussed to the highest possible intensity. Specialized workshops/brainstorming to discuss these ultimate scientific challenges of ELI will be regularly organized.

credit : http://www.eli-beams.eu/science/exotic-physics-and-theory/