Ilustrasi sederhana partikel materi (elektron, proton) dan antipartikelnya (positron, antiproton) yang saling berinteraksi.
Di alam semesta yang kita tinggali, segala sesuatu yang kita lihat dan sentuh—mulai dari bintang gemintang di langit hingga atom dalam tubuh kita—terbuat dari apa yang dikenal sebagai materi. Namun, fisika partikel mengungkapkan adanya "kembaran" yang sama misteriusnya dengan materi, yaitu antipartikel. Konsep antipartikel pertama kali diusulkan oleh fisikawan Paul Dirac pada tahun 1928, yang meramalkan keberadaan partikel dengan muatan berlawanan dari partikel materi yang sudah dikenal.
Secara sederhana, antipartikel adalah partikel yang memiliki massa yang sama persis dengan partikel materi pasangannya, tetapi memiliki muatan listrik yang berlawanan dan juga kuantitas fisika lainnya yang berlawanan, seperti bilangan lepton atau barion. Misalnya, elektron adalah partikel materi yang bermuatan negatif. Pasangan antipartikelnya adalah positron, yang memiliki massa identik dengan elektron tetapi bermuatan positif. Demikian pula, proton adalah partikel materi bermuatan positif; antipartikelnya adalah antiproton, yang bermuatan negatif.
Namun, tidak semua partikel materi memiliki muatan listrik. Neutron, misalnya, adalah partikel netral. Dalam kasus ini, antipartikelnya, yaitu antinutron, juga netral. Perbedaan antara neutron dan antinutron lebih halus, terkait dengan sifat kuantum yang disebut bilangan barion dan "rasa" (flavor) partikel. Setiap fermion (partikel yang memiliki spin setengah bulat, seperti elektron dan proton) memiliki antipartikelnya sendiri. Untuk boson (partikel yang memiliki spin bulat, seperti foton), sebagian besar adalah antipartikelnya sendiri, meskipun ada juga yang memiliki pasangan antipartikel.
Salah satu fenomena paling menarik yang terkait dengan antipartikel adalah anihilasi. Ketika sebuah partikel materi bertemu dengan antipartikel pasangannya, keduanya akan saling memusnahkan. Energi yang tersimpan dalam massa kedua partikel tersebut akan dilepaskan, biasanya dalam bentuk foton (partikel cahaya) atau pasangan partikel-antipartikel baru. Contoh paling umum adalah interaksi antara elektron dan positron. Ketika keduanya bertemu, mereka beranihilasi dan menghasilkan dua foton berenergi tinggi.
Proses anihilasi ini sangat penting dalam fisika nuklir dan astrofisika. Misalnya, dalam reaktor nuklir dan akselerator partikel, anihilasi seringkali menjadi hasil yang diinginkan untuk menghasilkan energi atau mempelajari sifat-sifat partikel. Di alam semesta, peristiwa astrofisika ekstrem seperti lubang hitam supermasif atau tabrakan bintang neutron dapat menghasilkan kondisi yang memungkinkan anihilasi materi-antimateri dalam skala besar, melepaskan energi luar biasa.
Meskipun teori fisika partikel menyatakan bahwa alam semesta seharusnya memiliki jumlah materi dan antipartikel yang sama persis saat awal penciptaan, pengamatan menunjukkan bahwa alam semesta kita didominasi oleh materi. Kita melihat bintang, galaksi, dan planet yang seluruhnya terbuat dari materi, dan sangat sedikit bukti keberadaan antimateri dalam skala besar. Fenomena ini dikenal sebagai asimetri materi-antimateri, dan merupakan salah satu misteri terbesar dalam kosmologi.
Para ilmuwan telah mengusulkan berbagai penjelasan untuk ketidakseimbangan ini. Salah satu teori yang paling menjanjikan adalah bahwa ada sedikit perbedaan dalam cara materi dan antimateri berinteraksi atau meluruh di alam semesta awal. Perbedaan kecil ini, yang disebut pelanggaran muatan-paritas-waktu (CP violation), mungkin telah menyebabkan kelebihan materi yang kecil namun signifikan seiring waktu. Eksperimen di akselerator partikel seperti Large Hadron Collider (LHC) terus mencari bukti pelanggaran CP yang lebih besar dalam interaksi partikel-antipartikel untuk menjelaskan misteri ini.
Studi tentang antipartikel tidak hanya menarik secara teoritis, tetapi juga memiliki aplikasi praktis. Dalam bidang kedokteran, teknik Positron Emission Tomography (PET) menggunakan sifat anihilasi positron untuk pencitraan medis. Isotop radioaktif yang memancarkan positron disuntikkan ke dalam tubuh pasien. Ketika positron ini bertemu dengan elektron dalam jaringan tubuh, mereka beranihilasi, menghasilkan foton yang dapat dideteksi oleh pemindai PET, memberikan gambaran rinci tentang aktivitas metabolisme organ.
Lebih jauh lagi, pemahaman tentang antipartikel membantu kita memahami hukum-hukum dasar alam semesta, mulai dari perilaku partikel subatomik terkecil hingga evolusi alam semesta pada skala terbesar. Antipartikel tetap menjadi komponen krusial dalam model standar fisika partikel, dan penelitian terus berlanjut untuk mengungkap lebih banyak tentang sifat-sifat mereka dan peran mereka dalam kosmologi.
Meskipun banyak yang telah kita pelajari, misteri di balik antipartikel dan mengapa alam semesta kita didominasi oleh materi terus mendorong batas-batas pemahaman ilmiah kita. Antipartikel adalah pengingat bahwa di balik kenyataan yang tampak, terdapat dunia fisika yang jauh lebih kaya dan kompleks, menunggu untuk dijelajahi.