Lompat ke konten

Cari di ARSTEMA

Ketik nama bab, istilah, gejala, atau alat.

    Kembali ke atlas
    Fisika · Bab 40Kuantitatif

    Fisika partikel dan Model Standar: partikel dan antipartikel, gaya dasar dan partikel pembawanya, hukum kekekalan, quark, akselerator dan detektor, boson Higgs, dan antimateri di rumah sakit

    Rumah sakit akan mengoperasikan pemindai PET, pemasok radiofarmaka meminta jalur antar yang tidak boleh tertahan, dan teknisi gedung bertanya mengapa rumah sakit memerlukan siklotron serta apakah kiriman itu benar berisi antimateri. Bab ini menjelaskan partikel dan antipartikel, anihilasi, empat gaya dasar dan partikel pembawanya, fermion, boson, quark, dan lepton, serta hukum kekekalan bilangan barion, bilangan lepton, dan keanehan menurut OpenStax. Bab juga membahas warna dan kurungan quark, linac, siklotron, sinkrotron, penumbuk berkas, detektor, Model Standar, dan boson Higgs dengan fakta peristiwa dari CERN dan Yayasan Nobel per 22 Oktober 2026. PET dijelaskan dari sisi fisika, yaitu anihilasi positron menjadi dua foton 511 keV dan waktu paruh yang menuntut pengiriman cepat, tanpa anjuran medis.

    22 menit

    Bagian yang sedang dibaca: Pembuka bab

    Teknisi gedung sebuah rumah sakit menerima surat dari unit kedokteran nuklir yang akan mengoperasikan pemindai PET. Pemasok radiofarmaka meminta kurir boleh masuk lewat dok bongkar muat pukul 06.00, lift barang sudah menunggu, dan wadah berperisai diterima petugas unit paling lambat 10 menit setelah mobil tiba (angka latihan). Rumah sakit lain di kota yang sama memasang siklotron di ruang bawah tanah berdinding beton tebal, dan satpam bertanya apakah kiriman itu benar berisi antimateri. Teknisi ingin tahu mengapa rumah sakit memerlukan akselerator partikel, mengapa kiriman tidak boleh menunggu satu jam di pos jaga, dan apa yang ditangkap pemindai. Jawabannya: positron adalah antipartikel elektron, siklotron membuat inti pemancar positron, dan waktu paruh inti itu dihitung dalam menit (Contoh 2).

    Batas pembahasan

    Bab ini membahas fisika partikel dari antipartikel sampai Model Standar dan boson Higgs, serta PET dari sisi fisika. Sumber utamanya OpenStax University Physics Volume 3 subbab 11.1 sampai 11.5 dan 10.7, ditambah Volume 2 subbab 11.7 dan Chemistry 2e bab 21; fakta peristiwa berasal dari cuplikan pencarian situs CERN, Yayasan Nobel, dan IAEA per 22 Oktober 2026. Sumber setiap klaim dicatat di peta sumber. Peluruhan beta, neutrino, waktu paruh, dan keselamatan radiasi ada di Bab 33 tentang fisika nuklir, dan hubungan massa dan energi di Bab 37 tentang energi relativistik. Bab ini tidak memberi anjuran medis tentang PET, dosis, atau diagnosis.

    Gaya dasar dan partikel pembawanya

    Gaya dasar (fundamental force) adalah salah satu dari empat gaya yang bekerja antara benda-benda materi, yaitu gaya nuklir kuat, gaya elektromagnetik, gaya nuklir lemah, dan gaya gravitasi. Setiap gaya dipindahkan lewat pertukaran boson pembawa:

    GayaKekuatan relatifPembawaBekerja padaJangkauan
    Kuat1gluonquark10−1510^{-15} m
    Elektromagnetik1/137fotonpartikel bermuatantak terbatas
    Lemah10−1010^{-10}W+W^+, W−W^-, Z0Z^0quark dan lepton10−1810^{-18} m
    Gravitasi10−3810^{-38}graviton (hipotetis)semua partikeltak terbatas

    Tabel mengikuti OpenStax 11.5; subbab 11.1 menulis 1/100 untuk gaya elektromagnetik, 10−610^{-6} untuk gaya lemah, dan jangkauan gaya lemah 10−1510^{-15} m, jadi angka kekuatan hanya perbandingan kasar. Gaya elektrolemah (electroweak force) adalah penyatuan interaksi gaya elektromagnetik dan gaya nuklir lemah, yang dicapai fisikawan pada 1970-an.

    Fermion (fermion) adalah partikel berspin setengah bilangan bulat yang antisimetris terhadap pertukaran dan mematuhi prinsip larangan Pauli. Boson (boson) adalah partikel berspin bilangan bulat yang simetris terhadap pertukaran. Elektron adalah fermion, seperti pada kulit atom di Bab 32. Quark (quark) adalah fermion yang ikut serta dalam gaya elektrolemah dan gaya nuklir kuat. Lepton (lepton) adalah fermion yang ikut serta dalam gaya elektrolemah tetapi tidak merasakan gaya nuklir kuat.

    Quark u, c, dan t bermuatan +23e+\tfrac{2}{3}e, sedangkan d, s, dan b bermuatan −13e-\tfrac{1}{3}e; lepton terdiri atas elektron, muon, tau, dan tiga neutrinonya. Anggota satu keluarga hanya berbeda massa, dan materi sehari-hari cukup dengan quark u, d, dan elektron.

    Partikel dan antipartikel

    Antipartikel (antiparticle) adalah partikel subatom yang bermassa dan berumur sama dengan pasangannya tetapi bermuatan listrik berlawanan. Positron (positron) adalah antipartikel elektron yang diramalkan teori kuantum relativistik elektron pada akhir 1920-an dan ditemukan pada 1930-an. Antiquark ditulis bergaris atas, misalnya uˉ\bar{u}, sedangkan foton dan π0\pi^0 adalah antipartikel dirinya sendiri.

    Menurut tabel OpenStax 11.1, massa elektron 0,511 MeV/c², muon 105,7, proton 938,3, dan pion bermuatan 139,6 MeV/c²; muon berumur rata-rata 2,20×10−62{,}20 \times 10^{-6} s, dan Λ0\Lambda^0 2,6×10−102{,}6 \times 10^{-10} s.

    Menurut OpenStax 11.7, antimateri di alam tercipta dalam tumbukan partikel dan peluruhan beta plus, hanya dalam jumlah kecil yang segera beranihilasi. Anihilasi (annihilation) adalah lenyapnya sebuah partikel bersama antipartikelnya, dengan energinya muncul sebagai radiasi atau partikel lain.

    e−+e+→2γe^- + e^+ \to 2\gamma

    Satu foton saja melanggar kekekalan energi dan momentum, sehingga pasangan yang diam menghasilkan dua foton berlawanan arah (Contoh 1). Produksi pasangan (pair production) adalah terciptanya pasangan elektron dan positron dari sebuah foton di dalam medan inti.

    Hukum kekekalan: barion, lepton, dan keanehan

    Energi, momentum, momentum sudut, dan muatan kekal pada semua interaksi partikel yang diketahui (tumbukan di Bab 6), dan tiga bilangan tambahan menyaring reaksi. Bilangan barion (baryon number) adalah bilangan kuantum yang bernilai satu untuk barion, minus satu untuk antibarion, dan nol untuk partikel lain. Jumlahnya harus sama sebelum dan sesudah reaksi, sehingga neutron tidak meluruh menjadi e++e−e^+ + e^- walaupun muatan dan energinya memungkinkan. Bilangan lepton (lepton number) adalah tiga bilangan kuantum milik keluarga elektron, muon, dan tau yang masing-masing kekal secara terpisah. Elektron dan νe\nu_e ber-Le=1L_e = 1, muon dan νμ\nu_\mu ber-Lμ=1L_\mu = 1, antipartikelnya −1-1, dan partikel lain 0.

    Keanehan (strangeness) adalah sifat partikel yang berkaitan dengan kandungan quark strange dan kekal pada interaksi kuat dan elektromagnetik tetapi tidak pada interaksi lemah. Partikel aneh dari sinar kosmik akhir 1940-an diproduksi berpasangan lewat gaya kuat tetapi meluruh lewat gaya lemah dalam 10−1010^{-10} sampai 10−810^{-8} s, jauh di atas 10−2310^{-23} s peluruhan kuat khas. Tabel OpenStax memberi quark s keanehan −1-1, jadi kalimat teksnya yang menyamakan keanehan dengan "jumlah quark strange" keliru tanda (penalaran editorial).

    HadronQuarkBBSS
    pp, nnuud, udd10
    Λ0\Lambda^0, Σ+\Sigma^+uds, uus1−1-1
    Ξ0\Xi^0, Ξ−\Xi^-uss, dss1−2-2
    Ω−\Omega^-sss1−3-3
    π+\pi^+, π0\pi^0, π−\pi^-udˉu\bar{d}, uuˉu\bar{u} atau ddˉd\bar{d}, uˉd\bar{u}d00
    K+K^+, K0K^0usˉu\bar{s}, dsˉd\bar{s}0+1+1

    Antipartikel membawa tanda berlawanan. Reaksi yang mengubah muatan, BB, atau salah satu LL tidak terjadi; reaksi yang hanya mengubah SS mungkin terjadi lewat gaya lemah (Contoh 3 dan 4).

    Quark, warna, dan kurungan quark

    Pada 1960-an fisikawan menyadari bahwa hadron tersusun dari quark; nama quark diberikan Murray Gell-Mann dari novel Finnegans Wake karya James Joyce. Hadron (hadron) adalah partikel yang tersusun dari quark yang terikat gaya kuat. Barion (baryon) adalah hadron yang tersusun dari tiga quark. Meson (meson) adalah hadron yang tersusun dari sepasang quark dan antiquark. Semua quark berspin 1/2 dan berbilangan barion 1/3; susunan beberapa hadron ada di tabel kekekalan.

    Dua quark u di dalam proton tampak melanggar prinsip Pauli. Warna (color) adalah sifat quark yang berperan dalam interaksi nuklir kuat seperti muatan listrik dalam interaksi elektromagnetik. Tiga warnanya, merah, hijau, dan biru, hanya label; barion memuat ketiga warna, dan meson memuat satu warna dan antiwarnanya, sehingga hadron netral warna.

    Bukti pertama datang dari SLAC dan CERN sekitar 1970: elektron di atas 20 GeV, berpanjang gelombang de Broglie sekitar 6×10−176 \times 10^{-17} m (Bab 30), sebagian terpental pada sudut besar oleh pusat hamburan kecil berspin 1/2 di dalam proton. Kurungan quark (quark confinement) adalah keadaan quark yang selalu terkurung dalam kelompok dua atau tiga karena gaya kuat menariknya kembali bila menjauh. Narasi disiplin Fisika Teknik mengutip buku listrik, magnet, dan cahaya yang menulis bahwa quark belum pernah dan tidak diharapkan teramati sendirian.

    Akselerator: linac, siklotron, dan sinkrotron

    Akselerator partikel (particle accelerator) adalah mesin yang mempercepat partikel bermuatan, biasanya dengan medan listrik kuat, medan magnet, atau keduanya. Muatan qq yang melewati beda potensial VV mendapat energi U=qVU = qV, sehingga muatan ee yang melewati 1 V mendapat 1 eV (Bab 18). Akselerator linear (linear accelerator, linac) adalah akselerator yang mendorong partikel di sepanjang garis lurus lewat deretan tabung atau rongga frekuensi radio yang memberi dorongan listrik serempak. Tabungnya makin panjang karena partikel makin cepat; elektron di atas 2 MeV sudah hampir secepat cahaya.

    Siklotron (cyclotron) adalah akselerator yang memakai medan listrik bolak-balik dan magnet tetap untuk mempercepat partikel pada lintasan spiral. Di dalam dua elektrode berbentuk D, medan magnet membelokkan partikel dengan jari-jari r=mv/(qB)r = mv/(qB) seperti di Bab 19, dan periodenya

    T=2πmqBT = \frac{2\pi m}{qB}

    dengan mm massa (kg), qq muatan (C), dan BB medan magnet (T). Periode ini tidak bergantung pada jari-jari, sehingga tegangan bolak-balik cukup satu frekuensi. Energi kinetik keluaran pada jari-jari RR adalah K=q2B2R2/(2m)K = q^2B^2R^2/(2m), dengan batas sekitar 30 MeV untuk medan seragam karena efek relativistik memperpanjang periode; partikelnya biasanya proton, deuteron, atau alfa untuk membuat isotop radioaktif.

    Untuk muatan ee pada kelajuan berapa pun berlaku p=0,3Brp = 0{,}3Br, dengan pp dalam GeV/c, BB dalam tesla, dan rr dalam meter. Contoh elektron di siklotron pada OpenStax 11.4 hanya cocok sebagai latihan rumus, dan hasil 0,3×1,5×1,20{,}3 \times 1{,}5 \times 1{,}2 yang ditulis 0,543 GeV/c seharusnya 0,54 (penalaran editorial).

    Sinkrotron (synchrotron) adalah akselerator melingkar yang memakai tegangan bolak-balik dan medan magnet yang makin kuat untuk mempercepat partikel ke energi yang makin tinggi. Magnetnya sering superkonduktor, seperti dibahas di Bab 39. Radiasi sinkrotron (synchrotron radiation) adalah radiasi berenergi tinggi yang dipancarkan berkas bermuatan karena gerak melingkarnya di dalam sinkrotron, dan berguna untuk riset medis dan bahan.

    Penumbuk berkas dan detektor

    Penumbuk berkas memutar dua berkas berlawanan arah, menyimpannya pada energi tetap, lalu menumbukkannya di pusat detektor. Energi pusat massa (center-of-mass energy) adalah energi total yang tersedia untuk menciptakan partikel baru dalam tumbukan, diukur dalam kerangka pusat massa partikel datang.

    W2=2[E1E2+(p1c)(p2c)]+(m1c2)2+(m2c2)2W^2 = 2\left[E_1E_2 + (p_1c)(p_2c)\right] + (m_1c^2)^2 + (m_2c^2)^2

    dengan EE energi total, pp momentum, dan mm massa diam; pada penumbuk simetris W≈2EberkasW \approx 2E_\text{berkas} (Contoh 7). OpenStax 11.4 menyebut Large Hadron Collider (LHC) akselerator terbesar di dunia dengan energi berkas di atas 6 TeV, dan Chemistry 2e menyebut kelilingnya 27 km. Menurut cuplikan pencarian situs CERN, LHC mencapai 13,6 TeV pada 2022, energi tumbukan proton tertinggi yang pernah dicapai di laboratorium. Cuplikan pencarian situs CERN lainnya menyebut pengambilan data Run 3 berakhir 14 Juni 2026 dan Long Shutdown 3 dimulai 29 Juni 2026, dengan LHC luminositas tinggi dijadwalkan sekitar Juni 2030; pencarian per 22 Oktober 2026 tidak menemukan rekor yang lebih baru.

    Detektor partikel (particle detector) adalah detektor yang dirancang untuk mengukur hasil tumbukan dari akselerator secara akurat. Pada detektor CMS yang ikut menemukan boson Higgs, pelacak silikon di medan magnet mengukur momentum dari jari-jari lintasan, lalu menyusul kalorimeter elektromagnetik dari kristal berbasis timbal, kalorimeter hadron, dan detektor muon dari lempeng besi. Kalorimeter (calorimeter) adalah subdetektor yang menyerap partikel dan mengubah energinya menjadi sinyal listrik. Di kristal, elektron memancarkan foton dan foton membentuk pasangan, sehingga energi per partikel setelah nn kejadian adalah E=E0/2nE = E_0/2^n (Contoh 8).

    Model Standar dan boson Higgs

    Model Standar (Standard Model) adalah model interaksi partikel yang memuat teori elektrolemah dan kromodinamika kuantum. Kromodinamika kuantum (quantum chromodynamics, QCD) adalah teori interaksi kuat antara quark. Gravitasi tidak termasuk, dan interaksi digambar dengan diagram Feynman. Partikel virtual (virtual particle) adalah partikel yang ada terlalu singkat untuk dapat diamati. Dari prinsip ketidakpastian, jangkauan gaya kira-kira

    d≈ℏmcd \approx \frac{\hbar}{mc}

    dengan ℏ\hbar tetapan Planck tereduksi (J·s), mm massa pembawa (kg), dan cc kecepatan cahaya (m/s), sehingga foton tak bermassa berjangkauan tak terbatas (Contoh 9). Model Standar meramalkan massa W sekitar 81 GeV/c² dan Z sekitar 90 GeV/c², dan percobaan CERN pada 1980-an menemukan keduanya.

    Boson Higgs (Higgs boson) adalah boson berspin nol yang memberi massa kepada partikel yang berinteraksi dengannya. Boson ini bukan pembawa gaya lemah, tetapi menjelaskan mengapa W dan Z bermassa sehingga gaya lemah berjangkauan pendek; soal konsep OpenStax 11.5 masih menganggapnya belum ditemukan. Menurut siaran pers CERN 4 Juli 2012, eksperimen ATLAS dan CMS mengamati partikel baru di sekitar 125 sampai 126 GeV yang konsisten dengan boson Higgs, masing-masing dengan signifikansi 5 sigma, dan hasilnya disebut pendahuluan. Menurut siaran pers Yayasan Nobel, Hadiah Nobel Fisika 2013 diberikan kepada François Englert dan Peter Higgs atas penemuan teoretis mekanisme asal massa partikel subatom, yang mereka ajukan terpisah pada 1964, Englert bersama Robert Brout; medan Higgs ada bahkan di ruang hampa.

    Teori penyatuan agung (grand unified theory) adalah teori interaksi partikel yang menyatukan gaya nuklir kuat, gaya elektromagnetik, dan gaya nuklir lemah. Teori ini belum terbukti, dan mengapa materi lebih banyak daripada antimateri dibahas di Bab 41 tentang kosmologi.

    PET: antimateri di rumah sakit

    Tomografi emisi positron (positron emission tomography, PET) adalah teknik pencitraan yang memakai radioisotop pemancar positron dan menangkap pasangan foton gamma hasil anihilasi positron dengan elektron. Menurut OpenStax 10.7, kedua foton berenergi 0,511 MeV dan bergerak saling menjauh sehingga garis asalnya dapat ditentukan; isotopnya antara lain C-11, N-13, O-15, dan F-18, dan resolusinya 0,5 cm, lebih baik daripada SPECT sekitar 1 cm. Rantai fisikanya (penalaran editorial):

    1. Siklotron mempercepat proton (Contoh 6).
    2. Proton mengubah inti sasaran, misalnya O-18 menjadi F-18 sambil melepas neutron (pengetahuan umum); muatan 8+1=9+08 + 1 = 9 + 0 dan bilangan barion 18+1=18+118 + 1 = 18 + 1 kekal.
    3. Di tubuh, inti meluruh beta plus seperti di Bab 33 dan memancarkan positron.
    4. Positron beranihilasi dengan elektron menjadi dua foton 511 keV yang berlawanan arah (Contoh 1).
    5. Cincin detektor mencatat pasangan foton yang tiba hampir bersamaan, dan banyak garis disusun menjadi citra.

    Menurut berita IAEA, radioisotop siklotron yang paling banyak dipakai, antara lain F-18, C-11, O-15, dan N-13 untuk PET, berwaktu paruh pendek sehingga kurang cocok diangkut jauh. Catatan pustaka di basis data INIS milik IAEA menyebut perunut buatan siklotron rumah sakit harus segera dipakai di tempat, dengan waktu paruh C-11 sekitar 20 menit, N-13 10 menit, dan O-15 2 menit. F-18 berwaktu paruh sekitar 110 menit (nilai literatur umum), sehingga masih dapat dikirim dalam satu kota asal jalurnya lancar (Contoh 2).

    Contoh kerja

    Contoh 1: dua foton anihilasi. Elektron dan positron diam berenergi total 2×0,511=1,0222 \times 0{,}511 = 1{,}022 MeV, jawaban soal OpenStax 11.1. Tiap foton membawa 0,511 MeV =8,19×10−14= 8{,}19 \times 10^{-14} J, momentum E/c=2,73×10−22E/c = 2{,}73 \times 10^{-22} kg·m/s, frekuensi E/h=1,24×1020E/h = 1{,}24 \times 10^{20} Hz, dan panjang gelombang 1240/0,511=24271240/0{,}511 = 2427 fm atau 2,43 pm, sama dengan panjang gelombang Compton elektron 2,426 pm di lampiran OpenStax (penalaran editorial).

    Contoh 2: kasus pembuka. Kiriman F-18 butuh 60 menit sampai pemindai (angka latihan). Dengan waktu paruh 110 menit (nilai literatur umum), sisanya (1/2)60/110=0,685(1/2)^{60/110} = 0{,}685, jadi pemasok mengirim 1/0,685=1,461/0{,}685 = 1{,}46 kali kebutuhan. Tertahan 30 menit lagi berarti faktor (1/2)30/110=0,828(1/2)^{30/110} = 0{,}828, atau 17 persen hilang. C-11 tinggal (1/2)3=0,125(1/2)^{3} = 0{,}125 setelah 60 menit dan O-15 (1/2)30≈9×10−10(1/2)^{30} \approx 9 \times 10^{-10}, jadi keduanya dibuat di dekat pemindai (penalaran editorial; rumus peluruhan di Bab 33).

    Contoh 3: barion dan lepton. (a) p→e++γp \to e^+ + \gamma: muatan kekal, tetapi BB berubah 1→01 \to 0 dan LeL_e berubah 0→−10 \to -1, jadi terlarang. (b) π+→μ++νμ\pi^+ \to \mu^+ + \nu_\mu: LμL_\mu tetap 0=−1+10 = -1 + 1, jadi diizinkan, dengan energi lepas 139,6−105,7=33,9139{,}6 - 105{,}7 = 33{,}9 MeV. (c) μ−→e−+νˉe+νμ\mu^- \to e^- + \bar{\nu}_e + \nu_\mu: Lμ=1L_\mu = 1 dan Le=1−1=0L_e = 1 - 1 = 0 di kedua sisi, jadi diizinkan.

    Contoh 4: keanehan. (a) π−+p→Λ0+K0\pi^- + p \to \Lambda^0 + K^0: keanehan 0→−1+1=00 \to -1 + 1 = 0, reaksi kuat yang diizinkan. (b) π−+p→Λ0+π0\pi^- + p \to \Lambda^0 + \pi^0: muatan dan BB kekal, tetapi keanehan 0→−10 \to -1, jadi tidak terjadi lewat gaya kuat. (c) Λ0→π−+p\Lambda^0 \to \pi^- + p: keanehan −1→0-1 \to 0, jadi peluruhannya lewat gaya lemah; umurnya 2,6×10−102{,}6 \times 10^{-10} s, sekitar 2,6×10132{,}6 \times 10^{13} kali peluruhan kuat khas 10−2310^{-23} s.

    Contoh 5: hadron dari quark. Δ++\Delta^{++} (uuu): muatan 3×23=+23 \times \tfrac{2}{3} = +2 dan B=1B = 1. Ω−\Omega^- (sss): muatan 3×(−13)=−13 \times (-\tfrac{1}{3}) = -1 dan keanehan −3-3. K−K^- (uˉs\bar{u}s): muatan −23−13=−1-\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = -1, B=0B = 0, dan keanehan −1-1, cocok dengan tabel OpenStax. Massa Δ+\Delta^+ dan proton yang sama-sama uud berbanding 1,232/0,938=1,311{,}232/0{,}938 = 1{,}31, jadi energi di dalam hadron ikut menjadi massa (Bab 37).

    Contoh 6: siklotron proton. Dengan medan 1,5 T dan jari-jari ekstraksi 0,40 m (angka latihan), v=qBR/m=(1,602×10−19)(1,5)(0,40)/(1,673×10−27)=5,75×107v = qBR/m = (1{,}602 \times 10^{-19})(1{,}5)(0{,}40)/(1{,}673 \times 10^{-27}) = 5{,}75 \times 10^{7} m/s atau 0,19c, dan K=q2B2R2/(2m)=2,76×10−12K = q^2B^2R^2/(2m) = 2{,}76 \times 10^{-12} J =17,2= 17{,}2 MeV. Pemeriksaan relativistik dengan p=0,3×1,5×0,40=0,18p = 0{,}3 \times 1{,}5 \times 0{,}40 = 0{,}18 GeV/c memberi K=1802+938,32−938,3=17,1K = \sqrt{180^2 + 938{,}3^2} - 938{,}3 = 17{,}1 MeV, di bawah batas 30 MeV. Frekuensi tegangan dee qB/(2πm)=22,9qB/(2\pi m) = 22{,}9 MHz.

    Contoh 7: penumbuk lawan sasaran diam. Dua berkas proton 6,8 TeV memberi W=13,6W = 13{,}6 TeV. Berkas 6,8 TeV yang menumbuk proton diam (p2=0p_2 = 0) hanya memberi W=2(6800)(0,938)+2(0,938)2=113W = \sqrt{2(6800)(0{,}938) + 2(0{,}938)^2} = 113 GeV. Untuk 13,6 TeV dengan sasaran diam diperlukan E1=[W2−2(mpc2)2]/(2mpc2)=9,86×107E_1 = [W^2 - 2(m_pc^2)^2]/(2m_pc^2) = 9{,}86 \times 10^{7} GeV, sekitar 14.500 kali energi berkas LHC.

    Contoh 8: pancuran kalorimeter. Elektron 100 GeV masuk kristal, dan pancuran berhenti di bawah 10 MeV per partikel (angka latihan). Dari E0/2nE_0/2^n, n=log⁡2(105/10)=13,3n = \log_2(10^{5}/10) = 13{,}3: setelah 13 kejadian ada 213=81922^{13} = 8192 partikel masing-masing 12,2 MeV, dan kejadian ke-14 memberi 6,1 MeV. Jumlah partikel sebanding dengan E0E_0, jadi sinyal mengukur energi datang (penalaran editorial).

    Contoh 9: jangkauan gaya. Dengan d≈ℏc/(mc2)d \approx \hbar c/(mc^2) dan ℏc=197,3\hbar c = 197{,}3 MeV·fm dari lampiran OpenStax, boson W 80 GeV memberi 197,3/80 000=2,47×10−3197{,}3/80\,000 = 2{,}47 \times 10^{-3} fm =2,5×10−18= 2{,}5 \times 10^{-18} m, seorde hasil OpenStax 2×10−182 \times 10^{-18} m. Pion 139,6 MeV memberi 197,3/139,6=1,41197{,}3/139{,}6 = 1{,}41 fm, seorde jangkauan gaya kuat 10−1510^{-15} m, sejalan dengan model pertukaran pion antarnukleon.

    Kondisi berhenti

    Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada petugas proteksi radiasi, penanggung jawab unit, pabrik, atau dokter bila:

    1. Pekerjaan memerlukan masuk ke ruang siklotron, laboratorium radiofarmasi, atau ruang PET, melepas pintu berperisai, atau melubangi dinding dan tembusan pipanya. Izinnya milik petugas proteksi radiasi seperti di Bab 33, dengan izin kerja menurut Bab 2 · Keselamatan.
    2. Wadah radiofarmaka rusak, terbuka, atau tertinggal tanpa pengawas. Jangan membuka atau memindahkannya; jaga jarak dan panggil unit penerima.
    3. Sistem milik siklotron sendiri, seperti catu frekuensi radio, magnet, vakum, sasaran, atau pendinginnya, perlu disentuh. Pekerjaan itu milik pabrik.
    4. Ada usul menjembatani interlock pintu atau sakelar darurat ruang akselerator. Interlock tidak boleh dilewati, dan pekerjaan listrik di sekitarnya mengikuti Bab 76 · Kelistrikan & Kendali tentang kerja aman listrik.
    5. Pasien, keluarga, atau staf bertanya tentang keamanan PET, dosis, atau hasil pindaian. Teknisi tidak menjawab pertanyaan medis dan mengarahkannya ke dokter.

    Salah tafsir yang sering terjadi

    Tebak dulu di mana kelirunya, lalu buka penjelasannya.

    Anggapan keliru

    Kiriman PET berisi antimateri yang disimpan dan bisa meledak.

    Mengapa keliru?

    Wadah berisi inti pemancar positron, dan positron tercipta satu per satu lalu segera beranihilasi. Bahayanya radiasi gamma dan kontaminasi, seperti sumber radioaktif lain di Bab 33.

    Anggapan keliru

    Proton dan neutron adalah partikel elementer.

    Mengapa keliru?

    Keduanya barion bersusunan uud dan udd; yang elementer menurut Model Standar adalah quark, lepton, dan boson.

    Anggapan keliru

    Boson Higgs adalah sumber seluruh massa benda sehari-hari.

    Mengapa keliru?

    Medan Higgs memberi massa kepada partikel elementer seperti W dan Z, tetapi massa hadron juga berasal dari energi di dalamnya (Contoh 5).

    Anggapan keliru

    Model Standar sudah menjelaskan keempat gaya.

    Mengapa keliru?

    Gravitasi tidak termasuk, graviton masih hipotetis, dan teori penyatuan masih dugaan.

    Anggapan keliru

    Semua hukum kekekalan partikel sama mutlaknya.

    Mengapa keliru?

    Keanehan berubah pada interaksi lemah, dan menurut OpenStax bilangan lepton per keluarga berubah pada osilasi neutrino walaupun bilangan lepton total kekal sejauh diketahui. Ringkasan OpenStax 11.2 yang menyebut ketiga bilangan lepton berlaku untuk semua proses bertentangan dengan catatannya sendiri.

    Hubungan dengan bab lain

    Dasar bab ini ada di Bab 33 tentang radiasi pengion, Bab 37 tentang energi relativistik, Bab 29 tentang foton, Bab 30 tentang de Broglie, Bab 32 tentang spin, dan Bab 19 tentang gaya Lorentz. Lanjutannya ada di Bab 39 tentang magnet superkonduktor, Bab 41 tentang kosmologi, serta Bab 2 · Keselamatan dan Bab 76 · Kelistrikan & Kendali tentang izin dan kerja aman.

    Latihan dan pembahasan

    Coba jawab dulu, lalu buka pembahasannya.

    1. Linac proton mencapai 100 MeV dengan 250 kV per celah (angka latihan). Berapa celahnya, dan mengapa tabungnya makin panjang, sedangkan tabung akhir linac elektron 100 MeV hampir sama panjang?

      Lihat pembahasan

      Jumlah celah 100/0,25=400100/0{,}25 = 400. Proton 100 MeV baru mencapai γ=1,107\gamma = 1{,}107 atau sekitar 0,43c, sehingga kelajuannya masih naik dan tabung harus makin panjang. Elektron 100 MeV (γ=197\gamma = 197) sudah hampir secepat cahaya, jadi panjang tabung tidak perlu bertambah (penalaran editorial).

    2. Manakah yang dapat terjadi: (a) p+pˉ→π++π−p + \bar{p} \to \pi^+ + \pi^-, (b) p→π++π0p \to \pi^+ + \pi^0, (c) μ−→e−+γ\mu^- \to e^- + \gamma? Sebutkan hukum yang dilanggar.

      Lihat pembahasan

      (a) Diizinkan, karena muatan dan bilangan barion tetap 0 di kedua sisi. (b) Terlarang karena BB berubah dari 1 menjadi 0 walaupun muatan kekal. (c) Terlarang karena LμL_\mu turun dari 1 ke 0 dan LeL_e naik dari 0 ke 1.

    3. Tentukan muatan, bilangan barion, dan keanehan Σ+\Sigma^+ (uus) dan K0K^0 (dsˉd\bar{s}). Mengapa pasangan ud tanpa antiquark tidak membentuk hadron?

      Lihat pembahasan

      Σ+\Sigma^+ bermuatan 23+23−13=+1\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1, dengan B=1B = 1 dan keanehan −1-1. K0K^0 bermuatan −13+13=0-\tfrac{1}{3} + \tfrac{1}{3} = 0, dengan B=0B = 0 dan keanehan +1+1 dari antiquark s. Pasangan ud bermuatan pecahan +13e+\tfrac{1}{3}e dan tidak netral warna, karena meson memerlukan quark dan antiquark.

    4. Jejak partikel bermuatan ee di medan 2,0 T berjari-jari 0,75 m. Berapa momentumnya, energi total dan energi kinetiknya bila partikelnya proton, dan jari-jarinya bila medan digandakan?

      Lihat pembahasan

      p=0,3×2,0×0,75=0,45p = 0{,}3 \times 2{,}0 \times 0{,}75 = 0{,}45 GeV/c. Untuk proton E=0,452+0,9382=1,040E = \sqrt{0{,}45^2 + 0{,}938^2} = 1{,}040 GeV dan K=0,102K = 0{,}102 GeV atau 102 MeV. Medan dua kali lipat membuat jari-jari menjadi separuhnya, 0,375 m, sesuai jawaban OpenStax.

    5. Di pemindai PET, anihilasi terjadi 6,0 cm dari titik tengah garis antara dua detektor berhadapan (angka latihan). Berapa energi tiap foton, mengapa keduanya berlawanan arah, dan berapa selisih waktu tibanya?

      Lihat pembahasan

      Tiap foton 0,511 MeV karena energi diam 1,022 MeV terbagi rata, dan momentum awal nol memaksa keduanya berlawanan arah. Selisih lintasan 0,12 m memberi selisih waktu 0,12/(3,00×108)=4,0×10−100{,}12/(3{,}00 \times 10^{8}) = 4{,}0 \times 10^{-10} s atau 0,40 ns, jadi pencatat pasangan foton harus bekerja dalam orde nanodetik (penalaran editorial).

    6. Penumbuk elektron-positron simetris hendak menghasilkan J/ψ (3,100 GeV) dan upsilon (9,46 GeV). Berapa energi berkas masing-masing?

      Lihat pembahasan

      Pada penumbuk simetris W≈2EberkasW \approx 2E_\text{berkas}, jadi J/ψ memerlukan 3,100/2=1,553{,}100/2 = 1{,}55 GeV per berkas. Upsilon memerlukan 9,46/2=4,739{,}46/2 = 4{,}73 GeV, sama dengan jawaban soal OpenStax 11.4.

    Referensi

    Sumber luar

    • OpenStax: University Physics Volume 3openstax.org
    • OpenStax: University Physics Volume 2openstax.org
    • OpenStax: Chemistry 2eopenstax.org
    • CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs bosonhome.web.cern.ch
    • The 2013 Nobel Prize in Physics - Press release - NobelPrize.orgnobelprize.org
    • Large Hadron Colliderhome.cern
    • Long Shutdown 3home.cern
    • Increasing Radiopharmaceutical Production with Cyclotronsiaea.org
    • Producing radionuclides with accelerators: cyclotronsinis.iaea.org
    • Role of PET medical cyclotron facility in clinical imaginginis.iaea.org

    Bab terkait

    Uji diri · 3 soal

    Cek pemahaman sebelum berpindah bab

    Tulis jawaban dengan kata-kata Anda sendiri, lalu bandingkan dengan pembahasan dari latihan asli bab ini. Sistem tidak menebak benar-salah jawaban terbuka; Anda yang menilai bagian mana yang sudah dipahami.

    0/3dinilai
    1

    Linac proton mencapai 100 MeV dengan 250 kV per celah (angka latihan). Berapa celahnya, dan mengapa tabungnya makin panjang, sedangkan tabung akhir linac elektron 100 MeV hampir sama panjang?

    2

    Manakah yang dapat terjadi: (a) p+pˉ→π++π−p + \bar{p} \to \pi^+ + \pi^-, (b) p→π++π0p \to \pi^+ + \pi^0, (c) μ−→e−+γ\mu^- \to e^- + \gamma? Sebutkan hukum yang dilanggar.

    3

    Tentukan muatan, bilangan barion, dan keanehan Σ+\Sigma^+ (uus) dan K0K^0 (dsˉd\bar{s}). Mengapa pasangan ud tanpa antiquark tidak membentuk hadron?

    Progres penilaian mandiri0%

    Bab terdekat