ควาร์ก
ควาร์ก (อังกฤษ: quark อ่านว่า /kwɔrk/ หรือ /kwɑrk/) คืออนุภาคมูลฐานและเป็นส่วนประกอบพื้นฐานของสสาร ควาร์กมากกว่าหนึ่งตัวเมื่อรวมตัวกันจะเป็นอีกอนุภาคหนึ่งที่เรียกว่าแฮดรอน (อังกฤษ: hadron) ส่วนที่เสถียรที่สุดของแฮดรอนสองลำดับแรกคือโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งทั้งคู่เป็นส่วนประกอบสำคัญของนิวเคลียสของอะตอม[1] เนื่องจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Color Confinement ควาร์กจึงไม่สามารถสังเกตได้โดยตรงหรือพบตามลำพังได้ มันสามารถพบได้ภายในแฮดรอนเท่านั้น เช่น แบริออน (ซึ่งโปรตอนและนิวตรอนเป็นตัวอย่าง) และภายใน เมซอน[2][3] (มี'ซอน หรือเมซ'ซัน เป็นอนุภาคที่มีมวลระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตรอน มีประจุเป็นกลาง หรือเป็นบวกหรือลบ มีค่าสปิน) ด้วยเหตุผลนี้ สิ่งที่เรารู้จำนวนมากเกี่ยวกับควาร์กจึงได้มาจากการสังเกตที่ตัวแฮดรอนเอง
 | |
| ส่วนประกอบ | อนุภาคมูลฐาน |
|---|---|
| สถิติ (อนุภาค) | Fermionic |
| ชั่วรุ่น | ที่หนึ่ง, ที่สอง, ที่สาม |
| อันตรกิริยาพื้นฐาน | แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, แรงโน้มถ่วง, แรงเข้ม, แรงอ่อน |
| สัญญลักษณ์ | q |
| ปฏิยานุภาค | ปฏิควาร์ก (q) |
| ทฤษฎีโดย | Murray Gell-Mann (1964) George Zweig (1964) |
| ค้นพบโดย | SLAC (~1968) |
| จำนวนชนิด | 6 (up, down, strange, charm, bottom, and top) |
| ประจุไฟฟ้า | +23 e, −13 e |
| ประจุสี | Yes |
| สปิน | 12 |
| เลขแบริออน | 13 |
ควาร์กมีอยู่ 6 ชนิด เรียกว่า 6 สายพันธุ์ หรือ flavour ได้แก่ อัพ (up), ดาวน์ (down), ชาร์ม (charm), สเตรนจ์ (strange), ท็อป (top), และ บอตทอม (bottom)[4] อัพควาร์กและดาวน์ควาร์กเป็นแบบที่มีมวลต่ำที่สุดในบรรดาควาร์กทั้งหมด ควาร์กที่หนักกว่าจะเปลี่ยนแปลงมาเป็นควาร์กแบบอัพและดาวน์อย่างรวดเร็วโดยผ่านกระบวนการการเสื่อมสลายของอนุภาค (อังกฤษ: particle decay) ซึ่งเป็นกระบวนการเปลี่ยนสถานะของอนุภาคที่มีมวลมากกว่ามาเป็นสถานะที่มีมวลน้อยกว่า ด้วยเหตุนี้ อัพควาร์กและดาวน์ควาร์กจึงเป็นชนิดที่เสถียร และพบได้ทั่วไปมากที่สุดในเอกภพ ขณะที่ควาร์กแบบชาร์ม สเตรนจ์ ทอป และบอตทอม จะเกิดขึ้นได้ก็จากการชนที่มีพลังงานสูงเท่านั้น (เช่นที่อยู่ในรังสีคอสมิกและในเครื่องเร่งอนุภาค)
ควาร์กมีคุณสมบัติในตัวหลายประการ ซึ่งรวมถึงประจุไฟฟ้า ประจุสี สปิน และมวล ควาร์กเป็นอนุภาคมูลฐานเพียงชนิดเดียวในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคที่สามารถมีปฏิกิริยากับแรงพื้นฐานได้ครบหมดทั้ง 4 ชนิด (คือ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, แรงโน้มถ่วง, อันตรกิริยาอย่างเข้ม และอันตรกิริยาอย่างอ่อน) รวมถึงยังเป็นอนุภาคเพียงชนิดเดียวเท่าที่รู้จักซึ่งมีประจุไฟฟ้าที่ไม่ใช่ตัวเลขจำนวนเต็มคูณกับประจุมูลฐาน ทุกๆ สายพันธ์ของควาร์กจะมีคู่ปฏิยานุภาค เรียกชื่อว่า ปฏิควาร์ก ซึ่งมีความแตกต่างกับควาร์กแค่เพียงคุณสมบัติบางส่วนที่มีค่าทางขนาดเท่ากันแต่มีสัญลักษณ์ตรงกันข้าม
มีการนำเสนอแบบจำลองควาร์กจากนักฟิสิกส์ 2 คนโดยแยกกัน คือ เมอร์เรย์ เกลล์-แมนน์ และ จอร์จ ซวิก ในปี ค.ศ. 1964[5] ซึ่งเสนอว่าควาร์กเป็นส่วนหนึ่งของรูปแบบของแฮดรอน มีหลักฐานที่แสดงถึงการมีอยู่จริงของพวกมันเพียงเล็กน้อยเท่านั้น จนกระทั่งมีการทดลองการกระจายแบบไม่ยืดหยุ่นแต่ลึก (อังกฤษ: Deep inelastic scattering) ที่ห้องทดลองการเร่งอนุภาคแห่งชาติ SLAC (SLAC National Accelerator Laboratory) ในปี ค.ศ. 1968[6][7] เริ่มมีการสังเกตเฟลเวอร์ทั้งหกของควาร์กจากการทดลองเร่งอนุภาคในครั้งนั้น ควาร์กแบบทอป ซึ่งสังเกตพบครั้งแรกที่ เฟอร์มิแล็บ ในปี ค.ศ. 1995 นับเป็นเฟลเวอร์ที่ถูกค้นพบเป็นลำดับสุดท้าย[5]
การจัดประเภท แก้
ส่วนนี้รอเพิ่มเติมข้อมูล คุณสามารถช่วยเพิ่มข้อมูลส่วนนี้ได้ |
แบบจำลองมาตรฐานเป็นกรอบการทำงานในทางทฤษฎีใช้เพื่ออธิบายถึงอนุภาคมูลฐานทั้งหมดที่รู้จักกันในปัจจุบัน ซึ่งรวมถึงอนุภาคที่ยังไม่อาจสังเกตพบ[nb 1] คือ อนุภาคฮิกส์ ด้วย[8] แบบจำลองนี้มีควาร์กทั้ง 6 สายพันธ์ (อังกฤษ: flavour) ชื่อว่า อัพ (u), ดาวน์ (d), ชาร์ม (c), สเตรนจ์ (s), ทอป (t), และบอตทอม (b)[4] ปฏิยานุภาคของควาร์กเรียกว่า ปฏิควาร์ก แสดงด้วยสัญลักษณ์ขีดบนอยู่เหนือตัวอักษรของควาร์ก เช่น อัพปฏิควาร์ก มีสัญญลักษณ์ว่า u แสดงถึงปฏิควาร์กของอัพ ปฏิควาร์กมีลักษณะเหมือนกับปฏิสสารโดยทั่วไป คือมีมวลที่เท่ากัน ช่วงชีวิตเฉลี่ยเท่ากัน และมีสปินเหมือนกันกับควาร์กคู่ของมัน แต่มีประจุไฟฟ้ากับประจุอื่นๆ ในสัญลักษณ์ที่ตรงกันข้าม[9]
ควาร์กเป็นอนุภาคที่มีสปิน spin-12 หมายความว่า มันเป็นเฟอร์มิออนตามทฤษฎีบทสปินเชิงสถิติ (spin-statistics theorem) มีลักษณะตามหลักการกีดกันของเพาลีซึ่งระบุว่า ไม่มีเฟอร์มิออนที่เหมือนกันสองตัวใดๆ จะสามารถมีสถานะควอนตัมเดียวกันได้ ซึ่งตรงกันข้ามกับโบซอน (อนุภาคที่มีสปินเป็นเลขจำนวนเต็ม) ที่สามารถมีหลายตัวอยู่ในสถานะเดียวกันได้[10] ส่วนที่แตกต่างจากเลปตอน คือ ควาร์กมีประจุสี อันเป็นเหตุให้มันสามารถเข้าร่วมในอันตรกิริยาอย่างเข้มได้ ผลจากความดึงดูดระหว่างควาร์กที่แตกต่างกันสองตัว ทำให้เกิดการรวมตัวกันเป็นอนุภาคประกอบที่รู้จักกันในชื่อ แฮดรอน (ดูหัวข้อ "อันตรกิริยาอย่างเข้มกับประจุสี" ด้านล่าง)
คุณสมบัติ แก้
ประจุไฟฟ้า แก้
ควาร์กมีค่าประจุไฟฟ้าเป็นเศษส่วน คือ −13 or +23 ของขนาดประจุมูลฐานขึ้นกับว่าเป็นเฟลเวอร์อะไร ถ้าเป็นควาร์กแบบอัพ ชาร์ม และท็อป (รวมๆ กันมักเรียกว่า "ควาร์กประเภทอัพ") จะมีประจุ +23 ขณะที่ควาร์กแบบดาวน์ สเตรนจ์ และบ็อททอม ("ควาร์กประเภทดาวน์") จะมีประจุ −13 ปฏิควาร์กจะมีประจุตรงกันข้ามกับควาร์กที่เป็นคู่ของมัน คือ ปฏิควาร์กประเภทอัพมีประจุ −23 และปฏิควาร์กประเภทดาวน์มีประจุ +13 ในเมื่อประจุไฟฟ้าของแฮดรอนนั้นเป็นผลรวมของประจุของควาร์กทั้งหมดที่เป็นส่วนประกอบ ดังนั้นแฮดรอนทั้งหมดจึงมีประจุเป็นจำนวนเต็ม ส่วนประสมของควาร์ก 3 ตัว (แบริออน), ปฏิควาร์ก 3 ตัว (ปฏิแบริออน) หรือควาร์กและปฏิควาร์ก 1 ตัว (เมซอน) ก็มีค่าประจุเป็นจำนวนเต็มเสมอ[11] ยกตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบนิวเคลียสอะตอมของแฮดรอนประกอบด้วยนิวตรอนและโปรตอน มีประจุ 0 และ +1 ตามลำดับ โดยที่นิวตรอนประกอบด้วยดาวน์ควาร์ก 2 ตัวและอัพควาร์ก 1 ตัว ส่วนโปรตอนประกอบด้วยอัพควาร์ก 2 ตัวและดาว์นควาร์ก 1 ตัว[12]
สปิน แก้
สปิน คือคุณสมบัติภายในของอนุภาคพื้นฐาน ทิศทางของสปินเป็นองศาอิสระที่มีความสำคัญ ในบางครั้งอาจมองภาพเป็นการหมุนของวัตถุรอบแกนของมันเองก็ได้ (ซึ่งเป็นที่มาของคำว่า สปิน ที่หมายถึง การปั่น) แม้จะเป็นการชี้นำที่ผิดไปบ้างในระดับของอนุภาคย่อยของอะตอมเนื่องจากเชื่อกันว่าอนุภาคพื้นฐานนั้นมีลักษณะเป็นจุด[13]
เราสามารถแสดงสปินได้ด้วยเวกเตอร์ซึ่งมีความยาววัดได้ในหน่วยของค่าคงที่ของพลังค์แบบย่อ ħ (อ่านว่า "เอชบาร์") สำหรับควาร์กนั้น การวัดองค์ประกอบเวกเตอร์ของสปินในแกนใดๆ จะได้ค่าออกมาเป็น +ħ/2 หรือ −ħ/2 อย่างใดอย่างหนึ่ง ด้วยเหตุนี้ ควาร์กจึงจัดว่าเป็นอนุภาค spin-12[14] องค์ประกอบของสปินตามแกนที่กำหนด (เรียกว่าแกน z) มักย่อด้วยรูปลูกศรชี้ขึ้น ↑ สำหรับค่า +12 และลูกศรชี้ลง ↓ สำหรับค่า −12 โดยวางไว้ที่ด้านหลังสัญลักษณ์ของเฟลเวอร์ ตัวอย่างเช่น อัพควาร์กที่มีสปิน +12 ตามแกน z จะเขียนย่อว่า u↑.[15]
อันตรกิริยาอย่างอ่อน แก้
ควาร์กที่มีเฟลเวอร์แบบหนึ่งสามารถเปลี่ยนรูปไปเป็นควาร์กของเฟลเวอร์อีกแบบหนึ่งได้ก็โดยผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อน ซึ่งเป็นอันตรกิริยาพื้นฐานชนิดหนึ่งในจำนวนสี่ชนิดของฟิสิกส์อนุภาค ทั้งนี้โดยการดูดซับหรือแผ่ W โบซอน ทำให้ควาร์กประเภทอัพ (อัพ ชาร์ม และทอปควาร์ก) สามารถเปลี่ยนไปเป็นควาร์กประเภทดาวน์ (ดาวน์ สเตรนจ์ และบอททอม) ได้ ในทางกลับกันก็เช่นเดียวกัน กลไกการเปลี่ยนรูปของเฟลเวอร์นี้ทำให้เกิดกระบวนการแผ่รังสีที่ทำให้เกิดการสลายให้อนุภาคบีตา ซึ่งนิวตรอน (n) 1 ตัวจะแบ่งตัวกลายเป็นโปรตอน (p) 1 ตัว อิเล็กตรอน (e-) 1 ตัว และอิเล็กตรอนปฏินิวตริโน (Ve) 1 ตัว (ดูภาพประกอบ) สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเมื่อดาวน์ควาร์กตัวหนึ่งในนิวตรอนอัพดาวน์ดาวน์ เสื่อมสลายลงเป็นอัพควาร์กโดยการแผ่อนุภาคเสมือนของ W- โบซอน เปลี่ยนให้นิวตรอนกลายไปเป็นโปรตอนอัพอัพดาวน์ จากนั้น W- โบซอน นี้จะเสื่อมสลายไปเป็นอิเล็กตรอน 1 ตัวกับอิเล็กตรอนปฏินิวตริโน 1 ตัว[16]
| n | → | p | + | e- | + | Ve | (การสลายให้อนุภาคบึตา, สัญลักษณ์ที่ใช้แทนความหมายของแฮดรอน) |
| udd | → | uud | + | e- | + | Ve | (การสลายให้อนุภาคบึตา, สัญลักษณ์ที่ใช้แทนความหมายของควาร์ก) |
การสลายให้อนุภาคบีตาทั้ง 2 แบบนี้ รวมถึงการกระบวนการย้อนกลับ มักมีการใช้อย่างสม่ำเสมอในทางการแพทย์ เช่น การตรวจเอกซ์เรย์ด้วยโพสิตรอน (PET) และในการทดลองฟิสิกส์พลังงานสูง เช่น การตรวจจับนิวตริโน
ขณะที่กระบวนการเปลี่ยนรูปเฟลเวอร์นี้เกิดขึ้นเหมือนๆ กันในควาร์กทุกชนิด ควาร์กแต่ละตัวก็มีแนวโน้มจะเปลี่ยนรูปไปเป็นควาร์กในตระกูลเดียวกันกับตัวเอง แนวโน้มความสัมพันธ์ในการเปลี่ยนรูปของเฟลเวอร์เหล่านี้เขียนได้ในรูปแบบตารางเมทริกซ์ เรียกว่า Cabibbo–Kobayashi–Maskawa matrix (CKM matrix) ค่าโดยประมาณของค่าต่างๆ ใน CKM matrix เป็นดังนี้[17]
โดยที่ Vij แทนแนวโน้มของควาร์กที่มีเฟลเวอร์ i ที่จะเปลี่ยนไปเป็นควาร์กแบบเฟลเวอร์ j (หรือในทางกลับกัน)[nb 2]
มีตารางเมทริกซ์อันตรกิริยาอย่างอ่อนที่เทียบเท่ากันนี้สำหรับเลปตอน (อยู่ทางขวาของ W โบซอน ในไดอะแกรมการสลายอนุภาคบีตาที่แสดงไว้ข้างบน) เรียกว่า Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata matrix (PMNS matrix)[18] ทั้งเมทริกซ์ CKM และ PMNS ล้วนอธิบายถึงการเปลี่ยนรูปของเฟลเวอร์ แต่ความเชื่อมโยงระหว่างเมทริกซ์ทั้งสองนี้ยังไม่เป็นที่เข้าใจชัดเจน[19]
หมายเหตุ แก้
- ↑ นับถึงเดือนสิงหาคม ค.ศ. 2010
- ↑ ความน่าจะเป็นที่แท้จริงของการสลายอนุภาคของควาร์กตัวหนึ่งไปเป็นอีกตัวหนึ่งนั้นเป็นฟังก์ชันที่ซับซ้อนของมวลของควาร์กที่กำลังสลายตัว มวลของผลผลิตจากการเสื่อมสลาย อนุภาคที่เกี่ยวเนื่องกันใน CKM matrix กับตัวแปรอื่นๆ อีกหลายตัว ความน่าจะเป็นนี้เป็นสัดส่วนที่แปรผันโดยตรง (แต่ไม่เท่ากัน) กับขนาดกำลังสอง (|Vij|2) ของจำนวนใน CKM ที่สัมพันธ์กัน
อ้างอิง แก้
- ↑ "Quark (subatomic particle)". Encyclopædia Britannica. Retrieved 2008-06-29.
- ↑ R. Nave. "Confinement of Quarks". HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. Retrieved 2008-06-29.
- ↑ R. Nave. "Bag Model of Quark Confinement". HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. Retrieved 2008-06-29
- ↑ 4.0 4.1 R. Nave. "Quarks". HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. สืบค้นเมื่อ 2008-06-29.
- ↑ 5.0 5.1 B. Carithers, P. Grannis (1995). "Discovery of the Top Quark" (PDF). Beam Line. SLAC. 25 (3): 4–16. สืบค้นเมื่อ 2008-09-23.
- ↑ E. D. Bloom; และคณะ (1969). "High-Energy Inelastic e–p Scattering at 6° and 10°". Physical Review Letters. 23 (16): 930–934. Bibcode:1969PhRvL..23..930B. doi:10.1103/PhysRevLett.23.930.
- ↑ M. Breidenbach; และคณะ (1969). "Observed Behavior of Highly Inelastic Electron–Proton Scattering". Physical Review Letters. 23 (16): 935–939. Bibcode:1969PhRvL..23..935B. doi:10.1103/PhysRevLett.23.935. OSTI 1444731. S2CID 2575595.
- ↑ C. Amsler et al. (Particle Data Group) (2008). "Higgs Bosons: Theory and Searches" (PDF). Physics Letters B. 667 (1): 1–1340. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018.
- ↑ S.S.M. Wong (1998). Introductory Nuclear Physics (2nd ed.). Wiley Interscience. p. 30. ISBN 0-471-23973-9.
- ↑ K.A. Peacock (2008). The Quantum Revolution. Greenwood Publishing Group. p. 125. ISBN 031333448X.
- ↑ G. Fraser (2006). The New Physics for the Twenty-First Century. Cambridge University Press. p. 91. ISBN 0521816009.
- ↑ M. Munowitz (2005). Knowing. Oxford University Press. p. 35. ISBN 978-0-19-516737-5.
- ↑ "The Standard Model of Particle Physics". BBC. 2002. สืบค้นเมื่อ 2009-04-19.
- ↑ F. Close (2006). The New Cosmic Onion. CRC Press. pp. 80–90. ISBN 1584887982.
- ↑ D. Lincoln (2004). Understanding the Universe. World Scientific. p. 116. ISBN 9812387056.
- ↑ "Weak Interactions". Virtual Visitor Center. Stanford Linear Accelerator Center. 2008. สืบค้นเมื่อ 2008-09-28.
- ↑ K. Nakamura; และคณะ (Particle Data Group) (2010). "Review of Particles Physics: The CKM Quark-Mixing Matrix" (PDF). Journal of Physics G. 37 (7A): 075021. Bibcode:2010JPhG...37g5021N. doi:10.1088/0954-3899/37/7A/075021.
- ↑ Z. Maki, M. Nakagawa, S. Sakata (1962). "Remarks on the Unified Model of Elementary Particles". Progress of Theoretical Physics. 28 (5): 870. Bibcode:1962PThPh..28..870M. doi:10.1143/PTP.28.870. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2010-05-09. สืบค้นเมื่อ 2011-09-04.
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (ลิงก์) - ↑
B.C. Chauhan, M. Picariello, J. Pulido, E. Torrente-Lujan (2007). "Quark–lepton complementarity, neutrino and standard model data predict θPMNS
13 = 9+1
−2 °". European Physical Journal. C50 (3): 573–578. arXiv:hep-ph/0605032. Bibcode:2007EPJC...50..573C. doi:10.1140/epjc/s10052-007-0212-z.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (ลิงก์)
หนังสืออ่านเพิ่ม แก้
- D.J. Griffiths (2008). Introduction to Elementary Particles (2nd ed.). Wiley–VCH. ISBN 3527406018.
- I.S. Hughes (1985). Elementary particles (2nd ed.). Cambridge University Press. ISBN 0-521-26092-2.
- R. Oerter (2005). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Pi Press. ISBN 0132366789.
- A. Pickering (1984). Constructing Quarks: A Sociological History of Particle Physics. The University of Chicago Press. ISBN 0-226-66799-5.
- B. Povh (1995). Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts. Springer–Verlag. ISBN 0-387-59439-6.
- M. Riordan (1987). The Hunting of the Quark: A true story of modern physics. Simon & Schuster. ISBN 0-671-64884-5.
- B.A. Schumm (2004). Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics. Johns Hopkins University Press. ISBN 0-8018-7971-X.
แหล่งข้อมูลอื่น แก้
- 1969 Physics Nobel Prize lecture by Murray Gell-Mann
- 1976 Physics Nobel Prize lecture by Burton Richter
- 1976 Physics Nobel Prize lecture by Samuel C.C. Ting
- 2008 Physics Nobel Prize lecture by Makoto Kobayashi
- 2008 Physics Nobel Prize lecture by Toshihide Maskawa
- The Top Quark And The Higgs Particle by T.A. Heppenheimer – A description of CERN's experiment to count the families of quarks.
 | บทความฟิสิกส์นี้ยังเป็นโครง คุณสามารถช่วยวิกิพีเดียได้โดยการเพิ่มเติมข้อมูล |