Memahami Zarah Higgs-Boson

Minggu lalu pada tarikh 4 Julai 2012, penyelidik di CERN (European Organization for Nuclear Research) secara rasmi mengumumkan penemuan zarah baharu bak Higgs, suatu penemuan yang menggembirakan bagi kebanyakan ahli fizik zarah kerana zarah ini sudah lama dijangkakan wujud dalam Model Piawai Fizik Zarah (secara teori) tapi sebelum ini belum dijumpai. Walaupun tak diisytiharkan sebagai zarah Higgs sepenuhnya, ramai yang menjangka sifat-sifat yang patut ada akan disahkan selanjutnya nanti.

Pada asalnya, saya tidak berhajat untuk menulis apa-apa mengenai penemuan ini (ramai lagi saya rasa penulis muda berbakat yang boleh berbuat demikian) tetapi kerana adanya sahabat bertanyakan apakah yang dimaksudkan dengan penemuan ‘God particle‘ ini, terpanggillah pula saya untuk menulis sesuatu. Paling utama, gelaran ‘God particle’ ini hanyalah satu gelaran sahaja, dibuat secara berjenaka oleh Leon Lederman (penerima Hadiah Nobel fizik untuk penyelidikan neutrino) dan tidaklah pula digunakan di kalangan komuniti fizik teori atau fizik zarah . Namun akibat gurauan ini, sesetengah pihak mungkin sahaja silap faham mengenai perkara tersebut. Mungkin di sini boleh kita ambil pengajaran untuk berhati-hati apabila cuba mempopularkan bidang sains (malah bidang apa sekali pun).

Baca : [ Penemuan Zarah Higgs-Boson ]

Apakah keistimewaan zarah Higgs sehingga bergelaran demikian? Untuk itu, kita harus mengetahui serba sedikit tentang fizik zarah dan teorinya. Pertama, zarah Higgs ini adalah seangkatan dengan apa yang ahli fizik  zarah sebut sebagai zarah asas (mengikut model ini, zarah yang tiada bersubstruktur). Zarah asas secara kasar terbahagi dua, zarah jirim dan zarah (pembawa) daya. Zarah jirim terdiri daripada kuark dan lepton. Kedua-dua lepton dan kuark ini terbahagi kepada tiga generasi pula:

Generasi pertama:      Kuark                    Lepton
                                             u (up)                    e (elektron)
d (down)               ν_e (neutrino)

Generasi kedua:
                                            c (charm)               μ (muon)
s (strange)             ν_μ (neutrino muon

Generasi ketiga:
                                            t (top)                    τ (lepton tau)
b (bottom)            ν_τ (neutrino tau)

Setiap satu zarah ini (kadangkala dipanggil perisa – flavour) mempunyai set nombor kuantum tersendiri atau cas mengikut interaksi. Ini membawa kita kepada jenis interaksi atau daya yang dialami oleh zarah. Diketahui umum, ada empat jenis daya yang dikenali dan disenaraikan di bawah dengan zarah pembawa daya (gauge boson atau boson tolok):

Daya elektromagnet – foton (γ)
Daya saling tindakan nuklear lemah – boson W (cas positif/negatif) dan Z (neutral)
Daya saling tindakan nuklear kuat – gluon g (ada lapan)
Daya graviti – graviton (lazimnya tidak termasuk dalam model piawai)

Sebelum membincangkan zarah Higgs, perlu kita sebut bahawa perihalan zarah-zarah tersebut di atas perlukan formalisme yang melampaui mekanik kuantum iaitu teori medan kuantum. Teori ini muncul apabila dicuba untuk menggabungkan Teori Kerelatifan Khas dengan Mekanik Kuantum Lazim (tak kerelatifan) dan didapati teori terhasil adalah bersifat berbilang jasad yang akhirnya memerlukan konsep medan. Menurut teori medan kuantum, setiap satu ‘zarah asas’ itu mempunyai medan kuantumnya tersendiri.

Pada satu masa dahulu saya berfikiran teori medan kuantum akan menggantikan (supersede) mekanik kuantum, khususnya merungkaikan permasalahan teori kuantum. Sebenarnya tidak, malah masalah yang ada pada mekanik kuantum tetap sedia ada pada teori medan kuantum, malahan ditambah dengan permasalahan lain. Contohnya ontologi medan kuantum masih kurang jelas dan diperdebatkan di kalangan ahli falsafah.Bagi ahli fizik zarah, lazimnya dianggap medan ini adalah perkara yang nyata dan zarah adalah manifestasinya, tanpa menghiraukan permasalahan yang dibangkitkan oleh ahli falsafah. Ini sifat pragmatik mereka untuk membolehkan mereka meneruskan usaha penyelidikan mereka. Jika medan itu nyata, adakah ia sentiasa ada atau hanya ada mengikut keadaan; adakah ia tersebar atau bertempat (masalah penyetempatan). Jika kita pindahkan ontologinya ke zarah, juga bermasalah.

Seperti dalam Teori Kerelatifan Khas yang klasik, Teori Medan Kuantum menganggap tenaga setara dengan jisim, dan oleh sebab itu dibenarkan zarah untuk wujud dari tenaga yang ada sekiranya tenaga itu melebihi tenaga jisim rehat zarah tersebut. Malah vakum dalam teori medan kuantum bergelora dengan zarah-zarah maya setakat yang dibenarkan oleh Prinsip Ketakpastian Heisenberg, ΔE Δt ≥ h/2π. Bukan setakat itu sahaja, dalam konteks formalisme Fock, keadaan superposisi pelbagai bilangan zarah pun boleh wujud.

Bagi membolehkan perbincangan seterusnya, kita harus mengambil langkah pragmatik (seperti ahli fizik zarah) dan terus menggunakan konsep medan kuantum tanpa soal. Dalam kerangka Teori Medan Kuantum, setiap satu zarah yang terlibat dalam suatu saling tindakan harus mematuhi kekangan simetri yang ada pada saling tidakan tersebut. Sebagai contoh, zarah pembawa daya (boson tolok) pada asasnya tidak boleh berjisim. Namun untuk realiti saling tindakan nuklear lemah, boson toloknya perlu berjisim (yang tidak dibenarkan dalam konteks lazim). Dengan itu perlu wujud suatu mekanisme yang memberi jisim kepada zarah boson W dan Z. Di sinilah  mekanisme Higgs mula digunakan dengan membawa masuk medan Higgs ke dalam teori saling tindakan lemah tersebut. Medan (asal) bagi zarah W dan Z akan bersaling tindak dengan medan Higgs. Apabila medan Higgs membawa keadaan vakum yang tak remeh (nilai jangkaan vakum tak sifar), saling tindakan tersebut akan memberi jisim kepada zarah W dan Z (pembaca boleh merujuk pelbagai animasi di tempat lain bagaimana ini berlaku). Bukan itu sahaja, zarah jirim seperti elektron dan kuark juga tidak dibenarkan berjisim menurut struktur teori saling tindakan nuklear lemah tetapi melalui saling tindakan medan zarah jirim dengan medan Higgs, masalah ini boleh diselesaikan. Begitulah kiranya kisah bagaimana medan Higgs membawa peranan penting dalam memberi jisim bagi zarah-zarah.

Bagaimana pula zarah Higgs itu sendiri?  Zarah ini muncul dari medan kuantumnya sepertimana zarah-zarah lain iaitu melalui pengujaan kuanta medan. (Catatan: sebutan jisim bagi zarah Higgs dibenarkan oleh struktur teori melalui Keupayaan Higgs V(φ) yang tidak diketahui nilai parameternya, lalu membuat jisim Higgs sukar diketahui sebelum ini).

Jika benar zarah dijumpai baru-baru ini adalah zarah Higgs, maka lengkaplah teori Model Piawai fizik zarah dalam bentuk minimumnya. Di sini, saya beri penekanan pada bentuk minimum model iaitu dengan satu zarah Higgs yang muncul daripada satu multiplet kembar dua (doublet) mengikut struktur teori berkenaan. Multiplet yang lebih besar atau berganda boleh juga diterima (dengan syarat dibangun dengan mematuhi keadaan fizik yang ada) dan ini membenarkan lebih daripada satu zarah Higgs untuk wujud. Apatah lagi sekiranya teori yang lebih asas (seperti Teori Kesatuan Daya dan Teori Adisimetri) itu ada kebenarannya yang mempunyai multiplet Higgs besar sedemikian.

Adakah ini semua mainan minda ahli teori? Memang mudah untuk ahli teori terperangkap dengan imaginasi. Di sinilah peranan penting untuk ahli eksperimen dan ahli fenomenologi untuk membantu menentukan teori yang mana satu boleh diterima pakai. Penemuan zarah Higgs, jika benar, bukanlah pertama kali teori mendahului eksperimen. Sebelum ini penemuan zarah W dan Z juga bersifat demikian manakala zarah kuark pula diusul oleh ahli teori untuk menyelesaikan masalah berbilang-bilangnya hadron (yang ketika itu dianggap sebagai zarah asas). Semoga penemuan semua ini memberi kita rasa takjub dan rendah diri dengan hukum perjalanan alam ciptaan Allah ini.

Catatan :// Prof Madya Dr. Hishamuddin Zainuddin adalah Timbalan Pengarah Institut Penyelidikan Matematik (INSPEM), UPM, merangkap pensyarah fizik teori di Jabatan Fizik, UPM. Artikel ini disiarkan semula dengan izin dari blog beliau (www.acufrekuensi.blogspot.com)