Era partikelbagaimana kuark, antimateri, dan neutrino muncul

Era partikel berlangsung dari 10⁻¹² s setelah Big Bang hingga 3 menit. Dalam rentang ini kuark mula-mula bebas berkeliaran lalu terkurung menjadi proton dan neutron, elektron dan positron menguasai alam semesta, dan pada sekitar 1 detik neutrino mulai melaju bebas. Butir yang paling menarik adalah sebuah buku besar: untuk setiap semiliar pasang partikel dan antipartikel, ada satu partikel materi ekstra. Bintang, gunung, dan manusia hari ini semuanya berasal dari kelebihan kecil itu.

Makin awal keadaannya, makin sulit diamati langsung. Peneliti menciptakan ulang kondisi ekstrem di akselerator tumbukan atau menghitungnya secara teori. Saat membaca, perhatikan apakah tiap butir bertumpu pada bukti eksperimen atau pada prediksi teori.

Enam peristiwa

• 10⁻¹² s · Zaman kuark: Kuark berkeliaran bebas dalam sup panas, seperti bahan-bahan yang berenang di panci mendidih.
• 10⁻¹¹ s · Asimetri barion: Satu partikel materi ekstra untuk setiap semiliar pasang partikel–antipartikel. Inilah mengapa materi bertahan.
• 10⁻⁶ s · Zaman hadron: Kuark terkurung menjadi proton dan neutron, dan satu kuark yang sendirian tak pernah terlihat lagi.
• 1 s · Zaman lepton: Elektron dan positron menguasai alam semesta.
• 1 s · Pelepasan neutrino: Neutrino kini melaju bebas dan nyaris tidak pernah berinteraksi dengan materi lain.
• 10 s · Anihilasi elektron–positron: Sedikit elektron yang tersisa, dan foton bertambah banyak.

Kuark: dari model hingga cairan

Pertama datang sebuah gagasan yang menertibkan keluarga partikel: proton dan neutron tersusun dari "kuark" yang lebih kecil. Gagasan itu merapikan kebun binatang partikel yang kacau pada masa itu, dalam makalah berjudul "A schematic model of baryons and mesons" (Gell-Mann, Physics Letters, 1964). Pertanyaan berikutnya adalah mengapa kuark tidak pernah terlihat sendirian. Jawabannya disebut kebebasan asimtotik: makin dekat kuark, makin lemah interaksinya, dan makin jauh, makin erat mereka ditarik bersama, sehingga mereka tetap terkunci. Makalahnya berjudul "Ultraviolet behavior of non-abelian gauge theories" (Gross dan Wilczek, Physical Review Letters, 1973).

Keadaan kuark yang berkeliaran bebas sejak itu sudah diciptakan ulang di laboratorium. Tumbukan ion berat mereproduksi plasma kuark–gluon dari beberapa mikrodetik pertama, yang berperilaku seperti cairan dengan kekentalan nyaris nol (Kolaborasi STAR, Nuclear Physics A, 2005).

Antimateri: lebih dulu di atas kertas, lalu di sinar kosmik

Paul Dirac menggabungkan mekanika kuantum dan relativitas untuk menggambarkan elektron, dan satu solusi persamaannya tanpa disangka meramalkan antimateri. Makalahnya berjudul "The quantum theory of the electron" (Dirac, Proceedings of the Royal Society A, 1928). Beberapa tahun kemudian ramalan itu terkonfirmasi: elektron bermuatan positif dipotret dalam sinar kosmik, pertama kalinya manusia melihat antimateri. Makalahnya berjudul polos, "The positive electron" (Anderson, Physical Review, 1933).

Mengapa materi menang

Partikel dan antipartikel muncul berpasangan, jadi bagaimana materi bisa berlebih? Andrei Sakharov mendaftar tiga syarat yang dibutuhkan agar alam semesta menghasilkan lebih banyak materi daripada antimateri, dan syarat itu masih menjadi titik awal riset. Judul makalahnya langsung menyebut topiknya: "Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe" (Sakharov, JETP Letters, 1967). Petunjuk lain datang dari eksperimen: peluruhan meson K menunjukkan bahwa hukum fisika tidak simetris sempurna antara materi dan antimateri. Makalahnya berjudul "Evidence for the 2π decay of the K₂⁰ meson" (Christenson, Cronin, Fitch dan Turlay, Physical Review Letters, 1964).

Neutrino: partikel hantu

Neutrino nyaris tidak berinteraksi dengan apa pun, jadi menangkapnya sulit. Peneliti menunggu bertahun-tahun di samping reaktor nuklir dan akhirnya menangkap "partikel hantu" ini, dalam makalah berjudul "Detection of the free neutrino: a confirmation" (Cowan, Reines dkk., Science, 1956). Kemudian ditemukan bahwa neutrino berganti-ganti di antara tiga jenis, yang berarti neutrino punya massa. Pengamatan itu berasal dari detektor Super-Kamiokande, dalam makalah berjudul "Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos" (Fukuda dkk., Physical Review Letters, 1998).

Cara game menampilkannya

Dalam game, rentang waktu era Partikel ditulis "10⁻¹² s – 3 menit" dan sumber dayanya adalah partikel. Generatornya adalah Plasma kuark–gluon, Anihilasi materi–antimateri, Hadronisasi, dan Pelepasan neutrino, sesuai dengan proses nyata di atas. Generator hanyalah cara untuk merasakan urutan tahap-tahap ini. Mesin semacam itu tidak ada dalam kenyataan.