Kumpulan Soal Fisika Gaya Nuklir Lemah: Peluruhan Beta & Interaksi Partikel

A. Pilihan Ganda

1. Fenomena fisika berikut yang paling erat kaitannya dengan gaya nuklir lemah adalah…
   • Gaya tarik bumi
   • Ikatan kimia
   • Peluruhan beta
   • Keseimbangan inti atom
   Jawaban: Peluruhan beta
   Penjelasan: Gaya nuklir lemah bertanggung jawab atas peluruhan beta, di mana neutron berubah menjadi proton, atau sebaliknya.
2. Partikel mediator untuk gaya nuklir lemah adalah…
   • Foton
   • Gluon
   • Graviton
   • Boson W⁺, W⁻, Z⁰
   Jawaban: Boson W⁺, W⁻, Z⁰
   Penjelasan: Boson W⁺, W⁻, dan Z⁰ adalah partikel mediator atau pembawa gaya untuk interaksi nuklir lemah.
3. Ciri khas gaya nuklir lemah yang membedakannya dari gaya nuklir kuat dan elektromagnetik adalah kemampuannya untuk…
   • Menarik massa
   • Menarik muatan listrik
   • Mengikat proton dan neutron di inti
   • Mengubah jenis (flavor) quark
   Jawaban: Mengubah jenis (flavor) quark
   Penjelasan: Salah satu ciri unik gaya nuklir lemah adalah kemampuannya untuk mengubah satu jenis quark menjadi jenis quark lain (misalnya, down menjadi up).
4. Bagaimana perbandingan jangkauan gaya nuklir lemah dengan gaya fundamental lainnya?
   • Tak terbatas
   • Sama dengan jangkauan gaya elektromagnetik
   • Lebih pendek dari jangkauan gaya nuklir kuat
   • Sama dengan jangkauan gravitasi
   Jawaban: Lebih pendek dari jangkauan gaya nuklir kuat
   Penjelasan: Jangkauan gaya nuklir lemah sangat pendek, bahkan lebih pendek dari gaya nuklir kuat, yaitu sekitar 10⁻¹⁸ meter.
5. Manakah dari peristiwa berikut yang merupakan contoh langsung dari interaksi gaya nuklir lemah?
   • Fusi hidrogen menjadi helium di matahari
   • Interaksi antara dua magnet
   • Peluruhan neutron menjadi proton, elektron, dan anti-neutrino elektron
   • Gaya yang mengikat proton dan neutron di inti atom
   Jawaban: Peluruhan neutron menjadi proton, elektron, dan anti-neutrino elektron
   Penjelasan: Peluruhan neutron (beta minus) adalah contoh klasik dari proses yang dimediasi oleh gaya nuklir lemah.
6. Pernyataan yang benar mengenai gaya nuklir lemah adalah…
   • Ia adalah gaya terkuat di alam semesta
   • Jangkauannya tak terbatas
   • Ia tidak melanggar simetri paritas
   • Ia adalah gaya terlemah kedua setelah gravitasi
   Jawaban: Ia adalah gaya terlemah kedua setelah gravitasi
   Penjelasan: Gaya nuklir lemah lebih lemah dari gaya nuklir kuat dan elektromagnetik, tetapi lebih kuat dari gravitasi, menjadikannya gaya terlemah kedua.
7. Dalam peluruhan beta minus, neutron meluruh menjadi partikel apa, selain elektron dan anti-neutrino?
   • Elektron
   • Positron
   • Neutrino
   • Proton
   Jawaban: Proton
   Penjelasan: Dalam proses peluruhan beta minus, neutron (udd) berubah menjadi proton (uud) dengan mengubah salah satu quark down menjadi quark up.
8. Salah satu keunikan gaya nuklir lemah adalah kemampuannya untuk…
   • Mengikuti hukum kekekalan momentum
   • Melanggar hukum kekekalan energi
   • Melanggar simetri paritas (P)
   • Menghasilkan partikel stabil
   Jawaban: Melanggar simetri paritas (P)
   Penjelasan: Gaya nuklir lemah adalah satu-satunya gaya fundamental yang secara signifikan melanggar simetri paritas (P) dan paritas muatan-paritas (CP).
9. Gaya nuklir lemah berperan dalam interaksi antara…
   • Interaksi proton dengan proton
   • Interaksi elektron dengan foton
   • Interaksi quark dengan lepton
   • Interaksi gluon dengan gluon
   Jawaban: Interaksi quark dengan lepton
   Penjelasan: Gaya nuklir lemah memungkinkan interaksi antara quark dan lepton, seperti dalam peluruhan beta.
10. Gaya nuklir lemah dapat menyebabkan perubahan flavor pada…
    • Hanya quark up dan down
    • Hanya quark strange dan charm
    • Hanya quark top dan bottom
    • Semua jenis quark
    Jawaban: Semua jenis quark
    Penjelasan: Gaya nuklir lemah dapat mengubah flavor semua jenis quark (up, down, strange, charm, top, bottom).
11. Jangkauan efektif gaya nuklir lemah adalah…
    • Tak terbatas
    • Besar
    • Sangat kecil, mendekati nol
    • Sama dengan diameter inti atom
    Jawaban: Sangat kecil, mendekati nol
    Penjelasan: Massa yang besar dari boson W dan Z (sekitar 80-91 GeV/c²) menyebabkan jangkauan gaya nuklir lemah sangat pendek.
12. Gaya nuklir lemah memiliki kekuatan di antara gaya gravitasi dan…
    • Gaya gravitasi
    • Gaya nuklir kuat
    • Gaya elektromagnetik
    • Gaya van der Waals
    Jawaban: Gaya elektromagnetik
    Penjelasan: Gaya nuklir lemah lebih kuat dari gravitasi tetapi lebih lemah dari gaya elektromagnetik.
13. Selain peluruhan beta, contoh lain dari proses yang melibatkan gaya nuklir lemah adalah…
    • Fisi nuklir
    • Fusi nuklir
    • Peluruhan muon
    • Reaksi rantai
    Jawaban: Peluruhan muon
    Penjelasan: Peluruhan muon menjadi elektron, anti-neutrino elektron, dan neutrino muon adalah contoh interaksi lepton-lepton yang dimediasi gaya nuklir lemah.
14. Partikel mediator yang bertanggung jawab atas interaksi arus netral dalam gaya nuklir lemah adalah…
    • Foton
    • Gluon
    • Boson Z⁰
    • Graviton
    Jawaban: Boson Z⁰
    Penjelasan: Interaksi netral yang dimediasi oleh boson Z⁰ tidak mengubah muatan partikel tetapi masih merupakan interaksi lemah.
15. Apa alasan utama mengapa gaya nuklir lemah memiliki jangkauan yang sangat pendek?
    • Ukuran inti atom yang kecil
    • Jumlah partikel yang terlibat
    • Massa partikel mediatornya yang besar
    • Kecepatan interaksi
    Jawaban: Massa partikel mediatornya yang besar
    Penjelasan: Jangkauan gaya sebanding dengan kebalikan dari massa partikel mediatornya. Boson W dan Z memiliki massa yang sangat besar.
16. Apakah gaya nuklir lemah merupakan gaya utama yang mengikat proton dan neutron di dalam inti atom?
    • Ya
    • Tidak
    • Kadang-kadang
    • Hanya pada inti yang ringan
    Jawaban: Tidak
    Penjelasan: Meskipun berperan dalam fusi di bintang, gaya nuklir lemah bukanlah gaya utama yang mengikat proton dan neutron dalam inti. Itu adalah peran gaya nuklir kuat.
17. Partikel fundamental berikut ini hanya berinteraksi melalui gaya nuklir lemah:
    • A. Proton dan neutron
    • B. Elektron dan foton
    • C. Quark dan gluon
    • D. Neutrino dan anti-neutrino
    Jawaban: D. Neutrino dan anti-neutrino
    Penjelasan: Gaya nuklir lemah adalah satu-satunya gaya fundamental yang berinteraksi dengan neutrino dan anti-neutrino.
18. Ketika sebuah muon meluruh menjadi elektron dan dua neutrino, gaya fundamental apakah yang bertanggung jawab atas proses ini?
    • Gaya gravitasi
    • Gaya elektromagnetik
    • Gaya nuklir kuat
    • Gaya nuklir lemah
    Jawaban: Gaya nuklir lemah
    Penjelasan: Proses peluruhan muon menjadi elektron, neutrino elektron, dan anti-neutrino muon adalah contoh klasik dari interaksi yang dimediasi oleh gaya nuklir lemah.
19. Salah satu peran penting gaya nuklir lemah dalam astrofisika adalah…
    • Menjaga galaksi tetap utuh
    • Memungkinkan bintang untuk menghasilkan energi melalui fusi
    • Menciptakan medan magnet planet
    • Mencegah materi runtuh menjadi lubang hitam
    Jawaban: Memungkinkan bintang untuk menghasilkan energi melalui fusi
    Penjelasan: Gaya nuklir lemah sangat penting untuk langkah awal reaksi fusi di bintang, di mana proton harus berubah menjadi neutron (melalui peluruhan beta) untuk membentuk deuterium.
20. Pelanggaran simetri paritas (P) oleh gaya nuklir lemah mengacu pada ketidaksamaan antara proses dan bayangan cerminnya, yang sering terkait dengan orientasi…
    • Massa partikel
    • Muatan listrik partikel
    • Spin partikel
    • Jarak antar partikel
    Jawaban: Spin partikel
    Penjelasan: Pelanggaran paritas (P) berarti hukum fisika yang melibatkan gaya nuklir lemah tidak simetris terhadap refleksi cermin. Ini sering dikaitkan dengan spin (putaran) partikel.

B. Isian Singkat

1. Apa fungsi utama gaya nuklir lemah dalam fisika partikel?
   Jawaban: Gaya nuklir lemah bertanggung jawab atas perubahan identitas partikel, seperti dalam peluruhan beta, di mana quark dapat mengubah ‘flavor’-nya (misalnya, quark down menjadi quark up). Ini juga berperan dalam interaksi neutrino dan melanggar simetri paritas.
2. Sebutkan partikel pembawa gaya (mediator) untuk gaya nuklir lemah!
   Jawaban: Boson W⁺, W⁻, dan Z⁰.
3. Bagaimana kekuatan relatif dan jangkauan gaya nuklir lemah dibandingkan dengan gaya fundamental lainnya?
   Jawaban: Gaya nuklir lemah lebih lemah dari gaya nuklir kuat dan gaya elektromagnetik, tetapi lebih kuat dari gaya gravitasi. Jangkauannya sangat pendek (sekitar 10⁻¹⁸ meter).
4. Sebutkan dua contoh proses fisika yang diatur oleh gaya nuklir lemah!
   Jawaban: Peluruhan beta (baik beta minus maupun beta plus) dan peluruhan partikel dasar lainnya seperti muon dan kaon.
5. Jelaskan secara singkat peran gaya nuklir lemah dalam astrofisika!
   Jawaban: Gaya nuklir lemah memiliki peran krusial dalam siklus hidup bintang, khususnya dalam fusi nuklir di inti bintang, di mana ia memungkinkan proton berubah menjadi neutron, memulai rantai reaksi yang menghasilkan energi.

C. Uraian

1. Jelaskan secara rinci apa itu gaya nuklir lemah, karakteristik utamanya, dan partikel mediatornya. Berikan contoh proses fisika yang melibatkan gaya ini.
   Pembahasan:
   Gaya nuklir lemah adalah salah satu dari empat gaya fundamental alam yang bertanggung jawab atas fenomena seperti peluruhan beta radioaktif. Gaya ini jauh lebih lemah daripada gaya nuklir kuat dan gaya elektromagnetik, tetapi lebih kuat daripada gravitasi. Partikel mediatornya adalah boson W⁺, W⁻, dan Z⁰. Ciri khasnya adalah jangkauan yang sangat pendek, kurang dari ukuran proton, dan kemampuannya untuk mengubah jenis (flavor) quark, serta melanggar simetri paritas (P) dan paritas muatan (CP). Contoh prosesnya adalah peluruhan neutron menjadi proton, elektron, dan anti-neutrino elektron.
2. Bandingkanlah keempat gaya fundamental alam (gaya nuklir kuat, gaya elektromagnetik, gaya nuklir lemah, dan gravitasi) berdasarkan kekuatan relatif, jangkauan, dan partikel mediatornya.
   Pembahasan:
   Perbandingan keempat gaya fundamental alam adalah sebagai berikut:
   1. **Gaya Nuklir Kuat:** Terkuat, jangkauan sangat pendek (dalam inti atom), mengikat quark dalam hadron dan nukleon dalam inti, dimediasi oleh gluon.
   2. **Gaya Elektromagnetik:** Lebih lemah dari nuklir kuat, jangkauan tak terbatas, bekerja antara partikel bermuatan, dimediasi oleh foton.
   3. **Gaya Nuklir Lemah:** Lebih lemah dari elektromagnetik, jangkauan sangat pendek (sub-atom), mengubah flavor quark, bertanggung jawab atas peluruhan beta, dimediasi oleh boson W⁺, W⁻, Z⁰.
   4. **Gaya Gravitasi:** Terlemah, jangkauan tak terbatas, bekerja antara massa, dimediasi oleh graviton (hipotetis).
3. Mengapa peluruhan beta dianggap sebagai fenomena yang diatur oleh gaya nuklir lemah? Jelaskan mekanisme perubahan partikel yang terjadi dalam peluruhan beta minus dan peran partikel mediator gaya nuklir lemah di dalamnya.
   Pembahasan:
   Peluruhan beta melibatkan gaya nuklir lemah karena dalam proses ini terjadi perubahan identitas partikel, yaitu quark berubah ‘flavor’ atau jenisnya. Misalnya, dalam peluruhan beta minus, sebuah neutron (udu) berubah menjadi proton (uud), sebuah elektron (e⁻), dan sebuah anti-neutrino elektron (ν̄e). Perubahan dari quark down (d) menjadi quark up (u) terjadi melalui emisi boson W⁻, yang kemudian meluruh menjadi elektron dan anti-neutrino elektron. Proses perubahan flavor quark ini secara eksklusif dimediasi oleh boson W dan Z, yang merupakan partikel pembawa gaya nuklir lemah.
4. Sebutkan dan jelaskan dua ciri khas gaya nuklir lemah yang membedakannya dari gaya nuklir kuat dan gaya elektromagnetik.
   Pembahasan:
   Salah satu ciri khas gaya nuklir lemah yang membedakannya dari gaya nuklir kuat dan elektromagnetik adalah kemampuannya untuk mengubah ‘flavor’ (jenis) quark. Gaya nuklir kuat hanya mempertahankan quark-quark dalam hadron, sedangkan gaya elektromagnetik tidak mengubah identitas partikel. Selain itu, gaya nuklir lemah melanggar simetri paritas (P) dan paritas muatan-paritas (CP), sesuatu yang tidak terjadi pada gaya nuklir kuat dan elektromagnetik dalam kondisi biasa. Ini berarti bahwa proses yang diatur oleh gaya lemah tidak terlihat sama jika dilihat di cermin (pelanggaran P) atau jika partikel diubah menjadi anti-partikelnya (pelanggaran CP).
5. Jelaskan peran penting gaya nuklir lemah dalam proses fusi nuklir di dalam bintang, khususnya dalam rantai proton-proton.
   Pembahasan:
   Gaya nuklir lemah memainkan peran krusial dalam evolusi bintang, khususnya dalam proses fusi nuklir yang terjadi di inti bintang seperti Matahari. Rantai proton-proton, yang merupakan salah satu sumber energi utama Matahari, dimulai dengan dua proton berfusi membentuk deuterium. Langkah ini melibatkan gaya nuklir lemah karena salah satu proton harus berubah menjadi neutron melalui peluruhan beta plus, yang menghasilkan emisi positron dan neutrino elektron. Tanpa gaya nuklir lemah, perubahan proton menjadi neutron ini tidak akan terjadi, sehingga reaksi fusi yang menghasilkan energi bintang tidak dapat berlangsung. Jadi, gaya nuklir lemah adalah pemicu awal yang memungkinkan siklus energi di bintang berlanjut.

D. Menjodohkan