Si Neutron Kecil

Ceritanya berawal di tahun 1930, ketika para fisikawan menemukan persoalan serius dalam penerapan hukum kekekalan fisika pada peluruhan sinar beta oleh inti atom berat. Sinar beta, kita tahu, adalah pancaran berkas elektron dari dalam inti atom sebagai akibat meluruhnya sebuah neutron (n) menjadi proton (p) yang lebih ringan menurut persamaan reaksi peluruhan: n → p + e^-

Dari sini kelihatan kalau hukum kekekalan muatan listrik terpenuhi. Jadi, jumlah muatan listrik sebelum reaksi = jumlah muatan listrik sesudah reaksi. Dari segi energi, karena neutron dan proton didalam inti atom berada pada keadaan energi kuantum tertentu, maka berdasarkan hukum kekekalan energi, elektron yang terpancar keluar harus memiliki energi kinetik (gerak) yang tertetu pula, sebesar selisih energi neutron dan proton: ΔE. Anehnya, hasil pengamatan ternyata menunjukkan bahwa energi kinetik elektronnya bervariasi secara gradual, mulai dari sekitar nol hingga mendekati nilai maksimum ΔE. Jadi, apa benar peluruhan sinar beta melanggar hukum kekekalan energi?

Persoalan bertambah ruwet ketika para fisikawan lantas menemukan kenyataan bahwa persamaan reaksi peluruhan sinar beta diatas melanggar hukum kekekalan momentum sudut spin s dalam mekanika kuantum yang menyatakan bahwa: Jumlah spin sebelum reaksi = Jumlah spin sesudah reaksi.

Dari eksperimen, didapati bahwa elektron, proton, dan neutron masing-masing memiliki bilangan kuantum spin s = ½. Dari persamaan reaksi peluruhan sinar beta di atas, jelas kelihatan kalau spin total sebelum peluruhan adalah (±½), sedangkan setelah reaksi (±½) + (±½), yang hasilnya tidak mungkin = (±½). Nah lo!

Pelanggaran hukum kekekalan energi dan spin oleh persamaan reaksi sinar beta tadi sempat membuat pusing para fisikawan, sampai kemudian ditemukan jalan keluarnya oleh Wolfgang Pauli. Tentunya kita cukup familiar dengan nama ini, fisikawan teori berkebangsaan Swiss yang terkenal dengan “prinsip larangan Pauli”. Masih di tahun yang sama, 1930, Pauli mengemukakan bahwa sinar beta bukan hanya terdiri dari berkas elektron, tapi juga “ditemani” berkas partikel lain yang bermuatan listrik netral, memiliki spin ½, dan massanya sangat kecil, hampir nol. Partikel baru ini oleh Pauli diberi nama “neutron kecil”.

“Neutron kecil”-nya Pauli ini benar-benar jadi penyelamat. Dengan kehadirannya, hukum kekekalan momentum sudut spin terselamatkan. Juga hukum kekekalan energi, yang dengannya diperoleh penjelasan bahwa selisih energi neutron-proton sebesar ΔE terbagi pada si “neutron kecil” dan elektron. Dengan demikian, apabila energi kinetik elektron tinggi, maka energi kinetik “neutron kecil” bernilai rendah. Demikian pula sebaliknya.

Usul pauli yang bersifat gagasan ini kemudian dirumuskan secara pasti melalui teori peluruhan sinar beta oleh Enrico Fermi pada 1933. Teori ini mampu memberi penjelasan secara numerik mengenai waktu paruh peluruhan sinar beta dari berbagai inti atom berat dan sejumlah data pengamatan yang terkait. Dalam menyusun teorinya, Enrico Fermi, yang adalah keturunan Italia, memberi nama partikel hipotesis Pauli ini sebagai neutrino yang merupakan istilah italia untuk “si neutron kecil”, dan diberi lambang partikel ν, dari abjad Yunani nu. Jadi, persamaan peluruhan sinar beta diatas seharusnya adalah: n → p + e^- + ν. (kajian lebih lanjut menunjukkan bahwa neutrino yang terlibat disini ternyata adalah anti-neutrino).

Neutrino sebagaimana digambarkan diatas digolongkan sebagai electron-neutrino (ν_e). Selain itu, ada pula golongan muon-neutrino (ν_μ), yang diperoleh dari peluruhan pi meson (pion), yang keberadaannya terbukti pada 1962. Walaupun tidak sereaktif neutrino jenis lain, saat bereaksi dengan proton dan neutron, muon-neutrino diketahui menghasilkan muon, namun tidak menghasilkan elektron. Fisikawan AS, Leon Lederman, Melvin Schwartz, dan Jack Steinberger menerima hadiah Nobel Fisika tahun 1988 untuk penemuan mereka tentang sifat-sifat muon-neutrino. Pada pertengahan 1970-an, fisikawan partikel menemukan varian lain dari lepton bermuatan, yang disebut tau (τ). Golongan lain dari neutrino yang disebut tau-neutrino (ν_τ) berhubungan dengan lepton bermuatan ini.

Tapi apakah neutrino memang hadir di alam nyata? Neutrino merupakan bagian dari keluarga partikel elementer lepton yang merupakan anggota dari kelompok yang lebih besar yang disebut fermion. (Saya sudah pernah bercerita sedikit tentang fermion di blog ini). Pembuktian keberadaan Neutrino membutuhkan waktu hingga 23 tahun sejak ia pertama kali dimodelkan. Kehadiran si neutron kecil ini baru bisa diamati secara meyakinkan pada 1953.