Bidang fizik terdiri daripada pelbagai cabang. Cabang yang menerangkan tentang zarah, atom dan pergerakannya dikenali sebagai Medan Fizik Kuantum (Quantum Field Theory atau QFT)
Medan Fizik Kuantum
Medan Fizik Kuantum menyatakan bahawa zarah-zarah bukanlah terdiri daripada atom berbentuk bulat seperti yang kita lihat dalam buku-buku sains tetapi zarah ini sebenarnya hasil daripada pengujaan (excitation) pada medan zarah tersebut. Sebagai contoh, elektron terhasil disebabkan pengujaan pada medan elektrik, foton (cahaya) terhasil disebabkan pengujaan pada medan elektromagnet.
Teori medan ini berasal daripada prinsip kedualan zarah-gelombang (Wave-particle duality) yang menyatakan bahawa setiap zarah mempunyai ciri-ciri gelombang, dan setiap gelombang mempunyai ciri-ciri zarah.
Model Piawai Fizik Zarah
Kita pernah belajar dalam Kimia peringkat SPM bahawa kesemua unsur yang ada seperti Hidrogen dan Helium terdiri daripada pecahan yang lebih kecil iaitu proton, neutron dan elektron.
Namun, ahli-ahli fizik zarah tidak berhenti setakat itu. Mereka bertanya, adakah proton, neutron dan elektron merupakan model paling asas yang membentuk alam semesta kita?
Pertanyaan ini telah memulakan pelbagai kajian berkenaan zarah dan pelbagai penemuan telah diterokai. Pertanyaan ini juga melahirkan bidang Medan Fizik Kuantum.
Hasilnya, ahli fizik zarah mendapati bahawa proton dan neutron bukanlah zarah terkecil, namun ia terdiri daripada zarah yang lebih kecil lagi iaitu Kuark. Sebagai contoh, proton ialah gabungan 3 kuark iaitu 2 kuark atas + 1 kuark bawah. Selain itu, ahli fizik juga mendapati bahawa gabungan kuark bagi membentuk zarah yang lebih besar seperti proton memerlukan satu pengikat bagi mengikat kuark-kuark ini. Pengikat ini dikenali sebagai gluon.
Selain daripada kuark dan gluon, ahli fizik zarah mendapati bahawa terdapat zarah-zarah asas lagi iaitu lepton yang terdiri daripada neutrino dan selainnya. Neutrino ini terdiri daripada beberapa jenis iaitu neutrino tau, neutrino muon dan neutrino elektron. Elektron juga merupakan sebahagian daripada kumpulan lepton.
Daya-daya asas dalam fizik
Antara persoalan yang ditanya dalam bidang fizik ialah bagaimana zarah-zarah di alam semesta berinteraksi antara satu sama lain? Jawapannya ialah Daya.
Seperti yang kita belajar dalam fizik atau sains peringkat SPM, daya menyebabkan perubahan halaju sesuatu objek. Jika kaki kita mengenakan daya pada sebiji bola, bola tersebut akan bergerak. Kaki kita dan bola tersebut berinteraksi antara satu sama lain.
1) Daya graviti
Daya antara bumi dan bulan menyebabkan bulan mengelilingi bumi. Ini ialah daya graviti iaitu interaksi antara dua zarah disebabkan jisim kedua-dua zarah tersebut.
Daya graviti dijelaskan oleh Albert Einstein dalam teori Kerelatifan Am. Daya graviti tidak diambil kira dalam Medan Fizik Kuantum.
Selain graviti, terdapat 3 daya lain iaitu daya elektromagnet, daya nukleus lemah, daya nukleus kuat
2) Daya elektromagnet.
Daya elektromagnet ialah interaksi antara dua zarah hasil daripada cas elektrik dan cas magnet kedua-dua zarah tersebut.
3) Daya nukleus kuat
Daya nukleus kuat terbahagi kepada dua iaitu interaksi dalam sesebuah atom antara proton dan neutron. Yang kedua, daya nukleus kuat ialah interaksi antara kuark-kuark dalam proton, neutron dan zarah besar lain.
Nukleus sesebuah atom terdiri daripada proton yang bercas positif dan neutron yang tak bercas. Daya elektromagnet menyebabkan proton-proton ini menolak antara satu sama lain. Namun bagaimana atom masih wujud? Mengapa ia tidak terpisah dan hanya terdiri daripada sebuah proton sahaja? Ini kerana wujud daya nukleus kuat yang mengikat proton dan neutron dalam nukleus sesebuah atom.
4) Daya nukleus lemah
Daya nukleus lemah pula ialah interaksi dalam proses pereputan radioaktif bagi sesebuah atom (Radioactive decay)
Pembawa daya
Dalam Medan Fizik Kuantum, interaksi bagi ketiga-tiga daya ini diterangkan melalui kewujudan ‘pembawa daya’ atau boson.
Boson bagi daya elektromagnet ialah foton (photon).
Boson bagi daya nukleus kuat ialah gluon
Boson bagi daya nukleus lemah ialah W dan Z boson
Hasil daripada kajian di atas, ahli fizik menghasilkan model piawai fizik zarah yang terdiri daripada Kuark, Lepton dan Boson.
Boson Higgs
Namun wujud sebuah masalah iaitu model ini menjangkakan bahawa boson tidak mengandungi jisim, namun hasil eksperimen mendapati bahawa hanya foton tidak mengandungi jisim manakala boson lain mengandungi jisim.
6 orang ahli fizik kemudiannya mengusulkan penyelesaian iaitu dengan kewujudan boson Higgs. Boson Higgs ini boleh menjelaskan kewujudan jisim bagi zarah-zarah asas seperti gluon, W dan Z boson, Kuark dan Lepton.
Kesemua zarah dalam model piawai fizik zarah telah ditemukan sejak 1970-an kecuali zarah boson Higgs. Selepas beberapa dekad, akhirnya zarah Higgs ditemukan di LHC pada tahun 2012. Maka lengkaplah keseluruhan model piawai fizik zarah.
Bagaimana jisim kita terhasil?
Adakah boson Higgs atau medan Higgs yang menghasilkan keseluruhan jisim kita?
Jawapannya tidak. Higgs boson hanya menghasilkan jisim bagi zarah-zarah asas iaitu jisim bagi kuark, lepton dan boson. Sepeti yang disebut sebelum ini, zarah-zarah ini ialah pengujaan pada medan. Boson Higgs juga hasil daripada pengujaan pada medan Higgs. Apabila zarah asas lain bergerak dalam medan Higgs, zarah ini menerima jisim daripada interaksi dengan medan Higgs.
Bagaimana pula dengan jisim atom dan zarah?
Sedangkan proton dan neutron bukanlah zarah asas. Jika ditambah kesemua jisim kuark dalam proton, ia hanya bersamaan dengan 1% sahaja jisim proton. Jadi, darimanakah datangnya jisim proton, neutron, dan gabungannya yang membentuk atom hidrogen, helium dan selainnya?
Jawapannya ialah pada daya nukleus kuat. Interaksi antara kuark, dan antara atom menghasilkan tenaga yang sangat tinggi. Tenaga ini pula menghasilkan baki 99% jisim proton dan jisim-jisim atom lain.
Adakah penemuan boson Higgs menerangkan segala-galanya tentang alam kita?
Jawapannya tidak. Ini kerana model piawai fizik tidak mampu menerangkan kewujudan daya graviti serta bagaimana keadaan alam semesta kita sejurus berlakunya big bang.
Kajian perlu diteruskan…
