Ini tahun keempat saya terlibat di SpinQuest experiment. Eksperimen yang menggunakan berbagai spektrometer dan detektor tua ini berlokasi di Fermilab. Salah satu pusat penelitian fisika partikel di USA. Fermilab adalah akselerator pertama yang menggunakan teknologi superkonduktor dalam skala besar dan berhasil mempercepat proton hingga berenergi Trilyun electron Volt. Legasi Fermilab lainnya adalah Nobel Fisika atas penemuan Top dan Bottom quark.
Setiap partikel elementer memiliki beberapa atribut dasar. Contoh yang paling nyata adalah muatan listrik. Contoh lainnya adalah spin. Jika atribut muatan mendikte perilaku partikel dalam paparan medan listrik, atribut spin mendikte perilaku partikel dalam paparan medan magnet.
Tak ada yang misterius dari atribut muatan. Proton bermuatan +1. Dan kita tahu bahwa proton terbentuk dari 3 quarks (valensi quarks) dan masing2 menyumbang muatan sebesar +2/3, +2/3 dan -1/3.
Namun situasi terkait spin sangat misterius. Proton memiliki spin 1/2. Dulu Fisikawan berasumsi bahwa spin proton juga disumbang oleh 3 quarks, seperti halnya muatan. Namun asumsi ini terbantahkan oleh EMC experiment yang menunjukan bahwa kontribusi total spin proton dari individu quarks sangat kecil. Sejak saat itu munculah istilah “Proton spin crisis”.
Bisa jadi 3 valensi quarks didalam proton tidak statis melainkan berputar dan memiliki momentum sudut. Momentum sudut dari individu quarks inilah yang merupakan kontributor utama terhadap spin proton. Namun experimen di JLAB menunjukan bahwa kontribusi total momentum sudut dari 3 valensi quarks juga kecil.
Bagaimana dengan gluon? partikel yang mengikat quarks. Bisa jadi spin proton berasal dari gluon. Eksperimen di RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) juga menunjukan kecilnya kontribusi gluon.
What is missing?
Sesungguhnya proton tak hanya terdiri dari 3 quarks dan gluon saja. Selain 3 quarks, yang disebut sebagai valensi quarks, di dalam proton selalu muncul dan menghilang pasangan quark – antiquark. Pasangan quark – antiquark yang terus menerus muncul dan menghilang dari vakum ini disebut sea quark (lautan quark).
Spinquest bertujuan untuk membuktikan bahwa sea quark memiliki momentum sudut. Karena ini adalah satu2nya komponen yang belum diperhitungkan.
Dan jika sea quark memang memiliki momentum sudut, maka hal ini sangat counter intuitive dan memancing pertanyaan yang lebih dalam lagi.
Kondisi dasar atau ground state adalah kondisi dengan level energi minimal dan kondisi paling stabil dihampir seluruh sistem di alam semesta. Sebagai ilustrasi, bola yang dilepas dari ketinggian tertentu akan jatuh ketanah karena ketinggian nol adalah ground state. Elektron pada atom hidrogen berada dalam keadaan dasar dan memiliki momentum sudut nol (l = 0).
Proton sangat stabil (Kalau proton tak stabil, alam semesta tidak terbentuk). Bagaimana bisa proton yang stabil memiki spin yang kontributor utamanya adalah momentum sudut tak nol dari sea quarks.
Apakah ada “Anak proton”? yakni partikel serupa proton, dengan komposisi internal serupa proton namun sea quark nya tidak memiliki momentum sudut (l = 0)?
Jika tidak, mengapa sea quark di dalam proton memilih konfigurasi momentum sudut tak nol? satu konfigurasi tak lazim untuk ground state?
Pertanyaan lain, saat proses awal terbentuknya alam semesta yakni ketika proton belum terbentuk dan hanya ada sup quarks dan gluon, mengapa konfigurasi stabil proton adalah 3 valensi quarks, gluons dan sea quarks yang memiliki momentum sudut Tak Nol.