Fisika Partikel, Apa Gunanya?

Suharyo Sumowidagdo (CERN)

Fisika partikel. Mendengar kata itu saja, orang awam pasti akan bingung. Di sini saya akan mencoba menjelaskan mengenai seluk beluk fisika partikel. Bagian pertama dari dua tulisan.

Pertama-tama saya harus meluruskan bahwa fisika partikel tidak hanya menghasilkan persamaan-persamaan. Fisika adalah ilmu yang mengkaji tentang alam. Konsep/persamaan fisika baru diakui kesahihannya jika telah dikonfirmasi/dibuktikan dengan eksperimen, bahwa konsep/persamaan tersebut sesuai dengan alam.

Kesalahpahaman ini timbul karena di Indonesia tidak ada kegiatan fisika partikel eksperimen. Yang ada adalah kegiatan fisika partikel teoretik. Namun di negara-negara maju terdapat sangat banyak fisikawan partikel eksperimen. Hasil-hasil dari eksperimen fisika partikel adalah konfirmasi persamaan/teori-teori fisika partikel dan teknologi yang tidak hanya berguna untuk kegiatan penelitian fisika partikel, namun juga bagi kehidupan sehari-hari. Saya akan bahas teknologi hasil fisika partikel eksperimen ini kemudian.

Tidak Aplikatif?

Lalu ada lagi pertanyaan, apa sumbangannya buat negara atau kehidupan masyarakat? Kenapa kita tidak meriset fisika yang membumi seperti yang aplikatif misalnya yang berhubungan kesehatan, pertanian, atau industri?

Tidak aplikatif merupakan penghakiman yang terlalu dini. Persamaan-persamaan, betapapun rumit dan abstrak, merupakan penggambaran/deskripsi tentang alam di sekitar kita. Pengetahuan tentang bagaimana alam di sekitar kita merupakan kekuatan. Knowledge is power. Sejarah menunjukkan bahwa penemuan-penemuan terdepan dalam fisika selalu memiliki dampak dan pengaruh yang positif dalam jangka panjang. Pelajaran dari sejarah ini diketahui dan disadari benar-benar oleh politikus dan para pemimpin bangsa di negara-negara maju, sehingga mereka tetap bersedia mendanai penelitian dalam bidang fisika partikel.

Ketika James Clerk Maxwell merumuskan persamaan-persamaan tentang listrik dan magnet lebih dari seratus tahun yang lalu, tidak ada satu pun orang di jaman tersebut yang menduga bahwa listrik dan magnet akan berperan sangat penting di masa depan. Jaman sekarang kita menggunakan listrik untuk penerangan, mendengarkan radio, menonton televisi, memakai internet dengan wireless/Wi-Fi. Kita menerima semua kenikmatan tersebut, namun hanya sedikit yang tahu bahwa semua kenikmatan jaman modern sekarang berawal dari kerja keras Maxwell tentang listrik magnet, yang berpuncak pada empat persamaan matematika tentang listrik dan magnet. Persamaan-persamaan yang nampaknya abstrak dan rumit, namun mendasari seluruh teknologi modern yang menggunakan listrik magnet.

Teori Relativitas Umum (General Relativity/GR) karya Albert Einstein merupakan salah satu teori fisika yang sangat rumit, formulasi matematikanya sangat abstrak, dan bahkan tidak dipelajari pada tingkat sarjana fisika. Hingga paruh kedua abad 20 bahkan hanya digunakan dalam bidang kosmologi. Tampaknya tidak ada aplikasi dari GR yang membumi dan aplikatif. Namun teknologi Global Positioning System (GPS) memerlukan persamaan-persamaan GR agar perhitungan navigasi di permukaan bumi dapat diperhitungkan dengan akurat. Jadi kalau orang naik mobil atau pesawat terbang yang memiliki GPS yang dapat menunjukkan posisi mobil/pesawat dengan ketelitian beberapa meter, itu semua karena GPS menggunakan Teori Relativitas Umum Einstein dalam perhitungannya.

Nampak Abstrak

Ini hanyalah dua contoh dari banyak contoh lain dari sejarah. Memang suatu konsep terbaru dalam fisika akan selalu tampak abstrak dan jauh dari kenyataan. Namun itu semua beralasan: mereka merupakan sesuatu yang sangat baru sehingga tidak ada satu orang pun di dunia yang tahu apa kegunaannya! Dengan demikian tidak layak dan terlalu dini untuk menghakimi dengan menjatuhkan vonis ‘tidak aplikatif’.

Seiring dengan berjalannya waktu, perlahan-lahan satu demi satu aplikasi dan kegunaaan dari konsep-konsep tersebut muncul. Jangka waktu dari penemuan konsep baru fisika hingga aplikasi teknologi bisa sangat lama, dan tidak ada yang bisa memprediksi jangka waktu ini. Saya setuju bahwa kondisi ekonomi, sosial, dan iptek sebuah negara menentukan prioritas bidang-bidang mana yang harus dikaji dan dikembangkan. Namun mencoba menerapkan “satu pandangan yang berlaku global” untuk kasus ini adalah tidak tepat. Indonesia sendiri menurut saya belum waktunya membangun sebuah akselerator seperti di CERN atau eksperimen fisika besar seperti CMS. Tapi kalau prioritas sebuah negara diterjemahkan menjadi pembatasan hak individu untuk mempelajari atau melakukan sesuatu yang mereka sukai Hal ini menurut saya berlebihan.

Fisika partikel pada saat ini berada pada posisi yang sama dengan persamaan Maxwell 150 tahun yang lalu atau mekanika kuantum 80 tahun yang lalu. Sesuatu yang sangat baru, sangat abstrak, dan tidak seorang pun tahu berapa besar potensi sebenarnya. Kita para fisikawan berpegang pada pelajaran sejarah bahwa kelak di masa depan akan muncul aplikasi dan kegunaan fisika partikel yang saat ini tidak terduga dan terpikirkan oleh kita.

Sekarang muncul lagi pertanyaan, buat apa kita meriset fisika partikel? Apa sumbangannya buat negara atau kehidupan masyarakat?

Masih saja ada yang penasaran, apa sesungguhnya sumbangan bidang ilmu ini buat kehidupan masyarakat.

Ada dua hasil dari fisika partikel. Pertama adalah jelas: pengetahuan tentang alam.Yang ini sudah jelas, dan tidak akan saya bahas. Yang kedua adalah: teknologi yang diperlukan untuk riset fisika partikel eksperimen, ternyata dapat diterapkan di masyarakat luas.

Saya akan membahas yang kedua, karena yang kedua ini kurang/tidak dikenal di Indonesia yang tidak memiliki riset fisika partikel eksperimen.

Dalam riset fisika partikel eksperimen, pada kenyataanya diperlukan banyak sekali terobosan-terobosan (breakthrough) dan teknologi-teknologi baru. Banyak penelitian untuk mencapai terobosan dan menciptakan teknologi itu sangat mahal dan tidak menguntungkan jika dilakukan dari segi industri/bisnis. Sehingga dalam sejarah, yang terjadi adalah: Fisikawan partikel eksperimen melakukan penelitian untuk terobosan dan teknologi tersebut, dan hasil-hasilnya kemudian dipatenkan dan diaplikasikan dalam industri.

Beberapa contoh teknologi dan terobosan tersebut adalah:

1. Teknologi magnet superkonduktor. Dalam eksperimen fisika partikel, diperlukan medan magnet yang sangat kuat, sebesar beberapa Tesla yang harus beroperasi pada jangka waktu lama. Tidaklah mungkin mencapai medan magnet sebesar itu dengan elektromagnet biasa: energi yang didisipasi dalam kumparan kawat elektromagnet solenoid atau toroid akan sangat besar sehingga kawat elektromagnet akan meleleh. Sehingga diperlukan magnet yang beroperasi pada kondisi superkonduktor. Fisikawan partikel eksperimen melakukan penelitian dan pengembangan teknologi magnet superkonduktor, namun teknologi magnet superkonduktor yang dihasilkan tidak hanya digunakan oleh fisika partikel. Teknologi magnet superkonduktor merupakan komponen utama dalam alat pencitraan resonansi magnet (MRI = magnetic resonance imaging) yang sekarang banyak terdapat di rumah sakit modern. Tanpa tersedianya teknologi magnet superkonduktor yang murah dan handal, sulit dibayangkan teknologi MRI bisa tersedia secara massal dan murah.
2. Teknologi pencitraan medis dengan positron (Positron Emission Tomography). Positron merupakan antipartikel dari elektron, dan keberadaan positron diprediksi dari teori-teori fisika partikel pada awal abad ke-20. Aplikasi positron adalah dalam pencitraan medis: Sebuah positron yang bertemu dengan elektron akan saling menghilangkan (anihilasi).
   Dalam teknologi PET, isotop nuklir yang meluruh dengan memancarkan positron diinjeksikan ke dalam tubuh pasien. Positron yang dipancarkan oleh isotop akan bertemu dengan elektron (yang praktis terdapat dimana-mana) dan akan saling teranihilasi menjadi dua foton (partikel kuantum cahaya) dengan energi masing-masing 511 MeV. Sinyal berupa dua foton dengan energi yang akurat pada 511 MeV merupakan sinyal yang unik dan dapat dideteksi oleh detektor.Hasil deteksi kemudian diolah dengan teknologi pencitraan untuk mendiagnosa lokasi dan ukuran jaringan kanker dalam tubuh pasien.
3. Teknologi terapi kanker dengan hadron. Hadron merupakan salah satu klasifikasi partikel, dan saat ini teknologi terapi medis dengan menggunakan hadron (proton, antiproton, dan inti atom karbon) sudah mulai dikembangkan. Teknologi terapi ini memerlukan sumber hadron yang dapat dikontrol dengan akurat, dan teknologi untuk sumber hadron tersebut tersedia dari teknologi fisika partikel eksperimen.
4. Teknologi akselerator / pemercepat partikel. Akselerator digunakan tidak hanya untuk eksperimen fisika partikel, namun juga untuk terapi medis, dan industri. Untuk terapi medis dengan proton atau antiproton, akselerator digunakan untuk mempercepat proton untuk memproduksi berkas proton berenergi tinggi untuk terapi kanker. Akselerator juga digunakan untuk memproduksi sinar X energi tinggi dan radiasi sinkroton (light source). Sinar X energi tinggi dan radiasi sinkroton digunakan untuk studi struktur material, mikroelektronika, teknologi nano, dan struktur DNA/protein. Akselerator juga merupakan komponen kunci untuk teknologi terapi dengan hadron yang dibahas sebelumnya. Beberapa laboratorium fisika partikel saat ini seperti Fermilab dan DESY sudah memiliki unit kerja untuk terapi kanker dengan menggunakan teknologi dan keahlian dari fisika partikel eksperimen.
5. Teknologi detektor partikel elementer untuk pencitraan medis. Detektor fisika partikel pada dasarnya adalah detektor radiasi/foton. Di CERN (Conseil Européene pour la Recherche Nucléaire) dan Fermilab, pusat penelitian fisika partikel tempat saya bekerj, ada beberapa laboratorium yang khusus meneliti dan menerapkan teknologi detektor partikel untuk fisika medis dan pencitraan medis. Salah satu lembaga internasional yang aktif mengembangkan teknologi ini adalah Tera Foundation yang didirikan oleh fisikawan-fisikawan dari CERN, dan memiliki kerja sama yang sangat aktif dengan CERN.
6. Teknologi komputasi grid. Pemrosesan data fisika partikel eksperimen memerlukan sumber daya komputer yang sangat besar. Untuk memenuhi tantangan ini, fisikawan partikel eksperimen dan ilmuwan bidang informatika/ilmu komputer bekerja sama mengembangkan teknologi komputasi grid. Komputasi grid adalah teknik komputasi yang menggunakan banyak sekali komputer yang terdistribusi di seluruh pelosok dunia dan terhubung melalui jaringan Internet. Teknologi komputasi grid ini juga berkembang dan digunakan untuk aplikasi-aplikasi lain seperti simulasi ramalan cuaca, perhitungan struktur dan dinamika pesawat terbang, maupun simulasi proses-proses dalam DNA.
7. Dan jika artikel ini dibaca melalui koneksi Internet, ingatlah bahwa protokol dan teknologi awal Internet diciptakan di CERN, pusat penelitian fisika partikel terbesar di dunia. Internet muncul dari kebutuhan para fisikawan dari seluruh dunia untuk membagi dan menyebarkan informasi. CERN kemudian merelakan Internet menjadi teknologi terbuka, dan siapa saja dapat menggunakan teknologi Internet tanpa membayar royalti kepada CERN. Hal ini menurut saya sangat penting: tanpa kerelaan CERN untuk membebaskan teknologi Internet, saya yakin perkembangan Internet tidak akan secepat ini.

Manfaat Ekonomi, Politik dan Budaya

Dari segi ekonomi, politik, dan budaya pun penelitian fisika partikel eksperimen memberikan manfaat:

1. Industri. Dalam membuat peralatan fisika partikel eksperimen, sangat sering fisikawan memerlukan kerja sama dengan industri mesin, teknologi informasi, dan elektronika. Fisikawan merancang rangkaian elektronik, sensor, dan instrumen untuk peralatan eksperimen. Rancangan peralatan eksperimen ini yang kemudian dikontrakkan ke industri untuk diproduksi secara massal, karena fasilitas laboratorium elektronika di kampus universitas terlalu kecil untuk membuat produksi massal. Ini berarti memberikan insentif kepada industri elektronika.
2. Kerjasama internasional. Semua eksperimen fisika partikel di jaman sekarang merupakan kerjasama internasional. Jauh sebelum komunisme runtuh di Eropa Timur, fisikawan dari Blok Barat dan Blok Timur telah menjalin kerja sama aktif tanpa memperhatikan perbedaan ideologi politik. Kerjasama internasional fisika merupakan kerjasama lintas batas yang tidak mengenal perbedaan suku/agama/kebangsaan/ideologi. Fisika merupakan salah satu bidang dimana wakil dari negara-negara yang bersengketa secara politik dapat duduk dan bekerja sama untuk satu tujuan dengan damai.
3. Ekonomi. Kegiatan penelitian dalam fisika partikel eksperimen memberikan kontribusi kepada ekonomi dan pengusaha lokal. CERN terletak di daerah luar kota Geneva, dimana terdapa beberapa kota kecil. Kota-kota kecil tersebut turut menikmati dampak ekonomi positif dari kegiatan di CERN: para fisikawan tamu yang datang berkunjung tinggal di hotel, berbelanja di toko-toko lokal, membeli jasa dan produk lokal, dan banyak lagi. Dengan 2500 staf tetap dan 10000 staf tamu, CERN merupakan salah satu organisasi utama yang memberikan kontribusi kepada kegiatan ekonomi di kota-kota kecil sekitar Geneva.

Motivasi

Motivasi saya sendiri belajar fisika partikel, sama seperti banyak fisikawan lain: saya ingin bekerja dan memberi kontribusi ilmiah pada suatu bidang fisika yang saya sukai. Alasan lain adalah saya ingin menjadi fisikawan yang berbeda dari apa yang sudah dicapai fisikawan lain asal Indonesia. Jumlah orang asal Indonesia yang berhasil menjadi doktor dalam fisika partikel eksperimen (5 orang) lebih sedikit dari jumlah orang Indonesia yang telah atau sedang menjabat Presiden Indonesia (6 orang).

Saat ini saya sudah telah menyelesaikan pendidikan doktoral, namun jalan masih panjang dan berat untuk meraih keberhasilan dalam tahap selanjutnya. Saya juga ingin berpartisipasi dalam salah satu peristiwa penting dalam sejarah fisika. Eksperimen fisika partikel di LHC dipastikan akan menjadi bagian dalam sejarah fisika. Memang nama saya tidak akan muncul dalam buku teks fisika 50 tahun lagi, sama seperti nama banyak prajurit pada Perang Kemerdekaan RI atau nama banyak mahasiswa yang menduduki gedung DPR/MPR pada tahun 1998. Namun saya tetap ingin berpartisipasi dalam sejarah.

Kalau ditanya esensi fisika partikel itu apa, sama seperti fisika yang lain. Suatu usaha untuk lebih mengetahui dan mengerti bagaimana alam di sekitar kita bekerja. Dalam bekerja di bidang fisika partikel, kita sering dituntut untuk menggunakan semua pengetahuan fisika yang kita miliki — termasuk dari sub bidang fisika yang lain dan bidang ilmu lain.

Latar belakang pendidikan saya adalah fisika nuklir teoretik (sarjana) dan fisika partikel eksperimen (pascasarjana) dalam proses tersebut saya belajar banyak hal-hal lain: matematika, dasar-dasar fisika partikel teoretik, teori relativitas umum, pemrograman komputer berorientasi-obyek, metode statistika dan analisis data, elektronika, instrumentasi, sistem kendali. Mengapa saya harus belajar begitu banyak topik: Alat eksperimen fisika partikel pada dasarnya adalah sensor-sensor, mereka memberikan sinyal-sinyal listrik ketika sebuah partikel lewat. Sinyal-sinyal listrik ini dibaca oleh sistem instrumentasi elektronika, yang kemudian diolah dengan program komputer yang berjalan pada jaringan komputer grid. Kemudian metode analisis data dan statistika digunakan untuk melakukan pengukuran dan pengujian hipotesa dari teori fisika partikel elementer. Semuanya topik yang ditulis dengan huruf tebal harus dikuasai oleh fisikawan partikel eksperimen.

Dan saya yakin bidang-bidang fisika yang lain juga akan menuntut hal serupa yakni menguasai dan menggabungkan berbagai bidang ilmu. Inilah sebenarnya satu aspek dimana menurut saya pendidikan fisika di Indonesia masih gagal/kurang berhasil, yakni menekankan betapa pentingnya untuk menguasai dasar-dasar dan bagian inti dari fisika sebelum memilih spesialisasi/keahlian. Terlalu sering orang hanya melihat kepada keahlian/spesialisasi fisikanya sendiri hingga melupakan dasar-dasar dan bagian inti fisika. Padahal ketika orang melanjutkan ke tahap berikutnya baik di dunia profesi maupun dunia akademik, pengetahuan dasar-dasar tersebut akan muncul kembali berulang-ulang.

Kalau pun ada satu nasihat untuk para mahasiswa fisika adalah: konsentrasikan dulu untuk menguasai dasar-dasar dan bagian inti dari alat kerja dan konsep fisika. Alat kerja adalah matematika, pemrograman komputer, statistika, teknik eksperimen dan elektronika. Konsep fisika adalah: mekanika, elektromagnetika, termodinamika dan fisika statistik, dan mekanika kuantum. Setelah menguasai dengan benar dasar-dasar ini tidak akan masalah mau melanjutkan kemana saja, tidak hanya fisika namun juga di luar fisika.