Antipartikel: Kembaran Terbalik Materi yang Mengungkap Misteri Alam Semesta

"Pahami apa itu antipartikel, bagaimana mereka ditemukan, sifat-sifat fundamentalnya, interaksi anihilasi, dan peran misteriusnya dalam asimetri materi"

Abdul Rasyid Juli 22, 2025

Ilustrasi Partikel dan antipartikel

Dalam fisika partikel, setiap jenis partikel materi "biasa" memiliki antipartikel yang terkait. Antipartikel adalah partikel subatomik yang memiliki massa yang sama tetapi dengan muatan fisik yang berlawanan, seperti muatan listrik. Sebagai contoh paling dikenal, positron adalah antipartikel dari elektron; elektron memiliki muatan listrik negatif, sedangkan positron memiliki muatan positif. Demikian pula, antipartikel dari proton adalah antiproton, dan antipartikel dari neutron adalah antineutron.

Penemuan dan Sejarah Konsep Antipartikel

Paul A.M. Dirac

Carl David Anderson - Wikipedia

Konsep antipartikel pertama kali diusulkan dari persamaan gelombang relativistik yang dikembangkan pada tahun 1928 oleh fisikawan Inggris, P.A.M. Dirac. Persamaan Dirac memprediksi kemungkinan keberadaan antielektron. Tak lama kemudian, pada tahun 1932, Carl D. Anderson menemukan partikel-partikel ini—yang disebutnya positron—dalam tabung awan saat mengamati tabrakan sinar kosmik. Jejak positron dalam tabung awan menunjukkan jalur heliks yang sama dengan elektron, tetapi berputar ke arah yang berlawanan karena memiliki muatan yang berlawanan.

Awalnya, Dirac mengemukakan "teori lubang" untuk menjelaskan antipartikel. Menurut teori ini, alam semesta dipenuhi oleh "lautan" elektron energi negatif yang tak terbatas. Sebuah partikel energi negatif dapat "terangkat" dari lautan ini, meninggalkan "lubang" yang akan berperilaku seperti partikel energi positif dengan muatan terbalik. Meskipun teori lubang memiliki masalah, seperti prediksi muatan negatif tak terbatas untuk alam semesta dan ketidakmampuannya menjelaskan antipartikel boson, konsep ini pada akhirnya berkembang menjadi interpretasi yang lebih kuat dalam teori medan kuantum. Paul Dirac awalnya salah mengidentifikasi lubang-lubang ini sebagai proton dalam makalahnya tahun 1930, namun setahun kemudian, pada tahun 1931, ia memodifikasi teorinya dan mendalilkan positron, partikel baru dengan massa yang sama dengan elektron. Penemuan positron setahun kemudian menghilangkan dua keberatan terakhir terhadap teorinya. Interpretasi yang lebih modern, seperti interpretasi Feynman–Stückelberg, menggambarkan antipartikel sebagai partikel energi negatif yang bergerak mundur dalam waktu.

Setelah penemuan positron, antiproton dan antineutron juga berhasil ditemukan oleh Emilio Segrè dan Owen Chamberlain pada tahun 1955 di University of California, Berkeley. Sejak saat itu, antipartikel dari banyak partikel subatomik lainnya telah diciptakan dalam eksperimen akselerator partikel. Dalam beberapa tahun terakhir, atom lengkap antimateri bahkan telah berhasil dirangkai dari antiproton dan positron, yang kemudian dikumpulkan dalam perangkap elektromagnetik.

Sifat dan Jenis Antipartikel

Antipartikel dan partikel pasangannya memiliki massa dan spin yang sama, namun muatan yang berlawanan. Ini mencakup muatan listrik, muatan warna (untuk kuark), dan jumlah lepton atau baryon. Partikel dan antipartikel juga dipertukarkan oleh penerapan gabungan konjugasi muatan (C), paritas (P), dan pembalikan waktu (T), yang dikenal sebagai simetri CPT.

Menariknya, beberapa partikel adalah antipartikelnya sendiri. Contoh yang paling dikenal adalah foton. Partikel lain yang merupakan antipartikelnya sendiri meliputi boson Z0, boson Higgs, dan dua jenis gluon yang merupakan campuran warna-antikwarna yang seimbang. Hipotetis graviton juga diperkirakan adalah antipartikelnya sendiri. Meskipun netral secara elektrik, neutron dan antineutron adalah partikel yang berbeda. Neutron dan antineutron akan memusnahkan satu sama lain saat bersentuhan, yang menunjukkan perbedaan antara keduanya. Neutrino dan antineutrino juga dibedakan berdasarkan spin; semua neutrino adalah tangan kiri (spin -½), sedangkan semua antineutrino adalah tangan kanan (spin +½). Namun, saat ini masih belum dapat dipastikan apakah neutrino dan antipartikelnya identik atau tidak (partikel Majorana).

Dalam Model Standar fisika partikel, terdapat dua kelas besar partikel:

Fermion: Partikel dengan spin setengah-integer (misalnya, ±½). Ini termasuk kuark (penyusun proton dan neutron) dan lepton (seperti elektron, muon, dan neutrino). Fermion adalah partikel materi, dan antipartikelnya (antifermion seperti antikuark dan antilepton) adalah partikel antimateri. Materi yang kita kenal di Bumi seluruhnya terbuat dari fermion. Setiap antikuark memiliki massa, spin, namun muatan listrik dan muatan warna yang berlawanan dengan kuark pasangannya. Demikian pula, setiap antilepton bermuatan (positron, antimuon, antitau) memiliki massa dan spin yang sama, tetapi muatan listrik dan jumlah lepton yang berlawanan.
Boson: Partikel dengan spin integer (0, ±1, ±2, dll.). Ini adalah pembawa gaya (seperti gluon, boson W dan Z, dan foton) dan boson Higgs. Berbeda dengan fermion, boson tidak dianggap sebagai "materi" maupun "antimateri", melainkan berinteraksi dengan keduanya. Beberapa boson (seperti boson W+ dan W– dan beberapa gluon) memiliki antipartikel yang berbeda, sementara banyak boson lain adalah antipartikelnya sendiri. Misalnya, boson W+ adalah antipartikel dari W–.

Penciptaan Antipartikel

Antipartikel dapat diciptakan secara alami melalui beberapa proses:

Peluruhan radioaktif, seperti peluruhan beta negatif, di mana antineutrino elektron diproduksi. Contohnya adalah peluruhan isotop Kalium-40 yang dapat menghasilkan positron (peluruhan beta positif) atau antineutrino (peluruhan beta negatif).
Tabrakan sinar kosmik dengan atmosfer Bumi, yang menghasilkan sejumlah kecil antipartikel.
Bahkan badai petir dapat menghasilkan positron yang berasal dari kilatan sinar gamma terestrial (TGF), yang terbentuk dari elektron yang dipercepat oleh medan listrik kuat di awan.

Selain itu, antipartikel dapat diproduksi secara artifisial di akselerator partikel seperti Large Hadron Collider di CERN. Salah satu cara utama penciptaan antipartikel adalah melalui pembentukan pasangan (pair production), di mana energi langsung diubah menjadi materi. Misalnya, sebuah foton berenergi tinggi (sinar gamma) dapat berubah menjadi pasangan elektron-positron. Agar pembentukan pasangan elektron-positron terjadi, energi foton harus melebihi ambang batas energi yang setara dengan massa diam dua elektron, yaitu 1.02 MeV. Penting juga bahwa proses ini harus terjadi di dekat medan listrik atom berat (seperti timbal atau uranium) untuk memenuhi hukum kekekalan momentum dan energi; pembentukan pasangan foton tidak dapat terjadi di ruang hampa.

Anihilasi Partikel-Antipartikel

Salah satu fenomena paling dramatis yang melibatkan antipartikel adalah anihilasi. Ketika sebuah partikel dan antipartikel pasangannya berada dalam kondisi kuantum yang sesuai, mereka dapat saling memusnahkan dan menghasilkan partikel lain, umumnya foton atau sinar gamma. Karena muatan partikel dan antipartikel berlawanan, total muatan tetap kekal selama anihilasi.

Contoh paling umum adalah anihilasi elektron-positron, di mana elektron bermuatan negatif dan positron bermuatan positif bertabrakan. Ketika elektron dan positron berenergi rendah saling memusnahkan, mereka menghasilkan dua atau lebih foton (sinar gamma) dengan energi masing-masing 0.511 MeV yang bergerak berlawanan arah. Produksi hanya satu foton dilarang di ruang bebas karena tidak dapat menghemat momentum dan energi secara bersamaan. Energi dari setiap foton yang dihasilkan diberikan oleh persamaan E = mc², di mana m adalah massa diam partikel yang saling memusnahkan.

Anihilasi ini tunduk pada beberapa hukum kekekalan, termasuk kekekalan muatan listrik, momentum linier, energi total (termasuk energi massa diam), dan momentum sudut. Selain itu, ada hukum kekekalan lain dalam reaksi partikel seperti kekekalan jumlah lepton dan kekekalan jumlah baryon. Setiap lepton memiliki jumlah lepton +1 dan setiap antilepton -1, begitu juga dengan baryon. Hukum kekekalan ini menyatakan bahwa jumlah lepton atau baryon sebelum dan sesudah reaksi harus sama. Misalnya, peluruhan neutron menjadi proton, elektron, dan antineutrino elektron mematuhi kekekalan jumlah lepton dan baryon.

Misteri Asimetri Materi-Antimateri

Meskipun hukum alam sangat simetris terhadap partikel dan antipartikel, alam semesta yang kita amati hampir seluruhnya terdiri dari materi, dengan sangat sedikit antimateri yang tersisa sejak Dentuman Besar. Pertanyaan mengapa pembentukan materi setelah Dentuman Besar menghasilkan alam semesta yang hampir seluruhnya terdiri dari materi, dan bukan campuran setengah-setengah, adalah salah satu masalah fisika yang belum terpecahkan, yang dikenal sebagai asimetri baryon. Penemuan pelanggaran paritas muatan (CP violation) telah sedikit memberi penerangan pada masalah ini, menunjukkan bahwa simetri yang awalnya dianggap sempurna ternyata hanya perkiraan. Namun, penjelasan yang ada hingga saat ini belum dianggap memuaskan secara keseluruhan.

Antipartikel adalah elemen kunci dalam pemahaman kita tentang alam semesta di tingkat fundamental, terus memicu penelitian untuk mengungkap rahasia terdalam materi dan antimateri.