Model Standar adalah teori dalam fisika partikel yang menjelaskan bagaimana partikel fundamental dan gaya alam semesta berinteraksi satu sama lain. Ini menggabungkan mekanika kuantum dan relativitas khusus untuk memberikan kerangka kerja untuk memahami struktur materi pada skala terkecil. Model Standar didukung oleh bukti eksperimental dan merupakan salah satu teori yang paling teruji secara ketat dalam sains.
Model Standar menjelaskan tiga dari empat gaya fundamental yang diketahui di alam semesta: gaya elektromagnetik, gaya nuklir lemah, dan gaya nuklir kuat. Ini tidak termasuk gravitasi, yang dijelaskan oleh relativitas umum. Model tersebut mengklasifikasikan semua partikel elementer yang diketahui menjadi dua kelompok utama: fermion dan boson.
Fermion adalah bahan penyusun materi. Mereka dibagi menjadi dua kelompok: quark dan lepton. Quark hadir dalam enam "rasa": atas, bawah, pesona, aneh, atas, dan bawah. Mereka bergabung dengan cara tertentu untuk membentuk proton dan neutron, yang membentuk inti atom. Lepton termasuk elektron, muon, taus, dan neutrino yang bersesuaian. Elektron mengorbit inti atom yang dibentuk oleh proton dan neutron, membentuk atom.
Boson adalah partikel yang memediasi gaya fundamental antar fermion. Foton ( \(\gamma\) ) adalah pembawa gaya elektromagnetik, boson W dan Z memediasi gaya nuklir lemah, dan gluon ( \(g\) ) membawa gaya nuklir kuat. Higgs boson ( \(H\) ) adalah partikel khusus yang berasosiasi dengan medan Higgs, yang memberikan massa pada partikel lain.
Gaya elektromagnetik dijelaskan oleh teori Elektrodinamika Kuantum (QED). Ia bertanggung jawab atas interaksi antara partikel bermuatan melalui pertukaran foton. Gaya elektromagnetik mengikat elektron ke inti atom, membentuk atom. Persamaan interaksi gaya elektromagnetik dapat direpresentasikan sebagai:
\( F = \frac{k e \cdot q 1 \cdot q_2}{r^2} \)dimana \(F\) adalah gaya, \(k e\) adalah konstanta Coulomb, \(q1\) dan \(q_2\) adalah muatan-muatannya, dan \(r\) adalah jarak antar muatan.
Gaya nuklir lemah bertanggung jawab atas peluruhan radioaktif dan reaksi nuklir tertentu. Hal ini dimediasi oleh boson W dan Z. Contoh proses yang melibatkan gaya lemah adalah peluruhan beta, di mana neutron dalam inti atom berubah menjadi proton, memancarkan elektron dan elektron antineutrino ( \(\bar{\nu}_e\) ). Interaksi tersebut dapat direpresentasikan sebagai:
\( n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e \)Gaya nuklir kuat mengikat quark untuk membentuk proton dan neutron serta menyatukan inti atom. Ini adalah gaya fundamental terkuat dari empat gaya fundamental namun bekerja dalam jarak yang sangat pendek. Gaya kuat dimediasi oleh gluon dan kekuatannya dijelaskan oleh Quantum Chromodynamics (QCD). Gaya antar quark diberikan oleh:
\( F_{strong} \propto \frac{1}{r^2} \textrm{ pada jarak pendek} \)tetapi bertambah seiring jarak, membatasi quark di dalam proton dan neutron.
Mekanisme Higgs menjelaskan bagaimana partikel memperoleh massa. Ia mengusulkan sebuah medan, medan Higgs, yang menembus alam semesta. Partikel yang berinteraksi dengan medan ini memperoleh massa; semakin kuat interaksinya, semakin berat partikelnya. Higgs boson adalah partikel terkuantisasi yang terkait dengan bidang ini, ditemukan pada tahun 2012 di Large Hadron Collider (LHC) CERN.
Prediksi Model Standar telah dikonfirmasi melalui berbagai eksperimen. Penemuan penting termasuk top quark (1995), tau neutrino (2000), dan Higgs boson (2012). Large Hadron Collider (LHC) milik CERN dan Tevatron collider milik Fermilab memainkan peran penting dalam penemuan ini. Eksperimen ini melibatkan tumbukan partikel dengan energi tinggi dan pengamatan hasilnya, yang memberikan wawasan tentang unsur dasar materi dan gaya yang bekerja pada partikel tersebut.
Meskipun Model Standar telah sangat berhasil, model ini mempunyai keterbatasan. Teori ini tidak menjelaskan materi gelap dan energi gelap alam semesta, asimetri materi-antimateri, atau gaya gravitasi. Teori seperti supersimetri dan teori string mengusulkan perluasan Model Standar untuk mengatasi misteri ini, namun bukti eksperimental untuk teori ini masih kurang.
Penelitian yang sedang berlangsung dalam fisika partikel bertujuan untuk memperdalam pemahaman kita tentang alam semesta, yang berpotensi mengarah pada teori yang lebih komprehensif yang mencakup keempat gaya fundamental dan memecahkan pertanyaan-pertanyaan Model Standar yang belum terjawab.
