ควาร์ก

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
โปรตอน อนุภาคมูลฐานของอะตอมประกอบไปด้วยอัพควาร์กสองตัว (สีน้ำเงินและแดง) กับดาวน์ควาร์กอีกหนึ่งตัว (สีเขียว)

ควาร์ก (อังกฤษ: quark อ่านว่า /kwɔrk/ หรือ /kwɑrk/) คืออนุภาคพื้นฐานและเป็นส่วนประกอบสำคัญของสสาร ควาร์กเมื่อรวมตัวกันเป็นอีกอนุภาคหนึ่งจะเรียกว่าฮาดรอน ฮารอนที่เสถียรที่สุดสองลำดับแรกคือโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งทั้งคู่เป็นส่วนประกอบสำคัญของอะตอม

ควาร์กมีอยู่ 6 ชนิด เรียกว่า 6 เฟลเวอร์ (flavor) ได้แก่ อัพ (up), ดาวน์ (down), ชาร์ม (charm), สเตรนจ์ (strange), ท็อป (top), และ บ็อทท็อม (bottom)[1] ควาร์กแบบอัพและดาวน์เป็นแบบที่มีมวลต่ำที่สุดในบรรดาควาร์กทั้งหมด ควาร์กที่หนักกว่าจะเปลี่ยนแปลงมาเป็นควาร์กแบบอัพและดาวน์อย่างรวดเร็วโดยผ่านกระบวนการการเสื่อมสลายของอนุภาค (particle decay) ซึ่งเป็นกระบวนการที่เปลี่ยนสถานะมวลมากกว่ามาเป็นสถานะมวลต่ำกว่า ด้วยเหตุนี้ ควาร์กแบบอัพและดาวน์จึงเป็นชนิดที่เสถียร และพบได้ทั่วไปมากที่สุดในเอกภพ ขณะที่ควาร์กแบบชาร์ม สเตรนจ์ ท็อป และบ็อทท็อม จะเกิดขึ้นได้ก็จากการชนที่มีพลังงานสูงเท่านั้น (เช่นที่อยู่ในรังสีคอสมิกและในเครื่องเร่งอนุภาค)

ควาร์กมีคุณสมบัติในตัวหลายประการ ซึ่งรวมถึงประจุไฟฟ้า ประจุสี สปิน และมวล ควาร์กเป็นอนุภาคมูลฐานเพียงชนิดเดียวในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคที่สามารถมีปฏิกิริยากับแรงพื้นฐานได้ครบหมดทั้ง 4 ชนิด (คือ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, แรงโน้มถ่วง, อันตรกิริยาอย่างเข้ม และอันตรกิริยาอย่างอ่อน) รวมถึงยังเป็นอนุภาคเพียงชนิดเดียวเท่าที่รู้จักซึ่งประจุไฟฟ้าไม่ใช่เลขจำนวนเต็มคูณกับประจุมูลฐาน ทุกๆ เฟลเวอร์ของควาร์กจะมีคู่ปฏิยานุภาค เรียกชื่อว่า แอนติควาร์ก ซึ่งมีความแตกต่างกับควาร์กแค่เพียงคุณสมบัติบางส่วนที่มีค่าทางขนาดเท่ากันแต่มีสัญลักษณ์ตรงกันข้าม

มีการนำเสนอแบบจำลองควาร์กจากนักฟิสิกส์ 2 คนโดยแยกกัน คือ เมอร์เรย์ เกลล์-แมนน์ และ จอร์จ ซวิก ในปี ค.ศ. 1964[2] ซึ่งเสนอว่าควาร์กเป็นส่วนหนึ่งของรูปแบบของฮาดรอน มีหลักฐานที่แสดงถึงการมีอยู่จริงของพวกมันเพียงเล็กน้อยเท่านั้น จนกระทั่งมีการทดลองการชนแบบไม่ยืดหยุ่น (Deep inelastic scattering) ที่ห้องทดลองการเร่งอนุภาคแห่งชาติ SLAC (SLAC National Accelerator Laboratory) ในปี ค.ศ. 1968[3][4] เริ่มมีการสังเกตเฟลเวอร์ทั้งหกของควาร์กจากการทดลองเร่งอนุภาคในครั้งนั้น ควาร์กแบบท็อป ซึ่งสังเกตพบครั้งแรกที่ เฟอร์มิแล็บ ในปี ค.ศ. 1995 นับเป็นเฟลเวอร์ที่ถูกค้นพบเป็นลำดับสุดท้าย[2]

การจัดประเภท[แก้]

A four-by-four table of particles. Columns are three generations of matter (fermions) and one of forces (bosons). In the first three columns, two rows contain quarks and two leptons. The top two rows' columns contain up (u) and down (d) quarks, charm (c) and strange (s) quarks, top (t) and bottom (b) quarks, and photon (γ) and gluon (g), respectively. The bottom two rows' columns contain electron neutrino (ν sub e) and electron (e), muon neutrino (ν sub μ) and muon (μ), and tau neutrino (ν sub τ) and tau (τ), and Z sup 0 and W sup ± weak force. Mass, charge, and spin are listed for each particle.
อนุภาค 6 ชนิดในแบบจำลองมาตรฐานเป็นควาร์ก (แสดงด้วยสีม่วง) สามคอลัมน์แรกของตารางเรียกว่าเป็น เจเนเรชั่น ของสสาร

แบบจำลองมาตรฐานเป็นกรอบการทำงานในทางทฤษฎีใช้เพื่ออธิบายถึงอนุภาคมูลฐานทั้งหมดที่รู้จักกันในปัจจุบัน ซึ่งรวมถึงอนุภาคที่ยังไม่อาจสังเกตพบ[nb 1] คือ อนุภาคฮิกส์ ด้วย[5] แบบจำลองนี้มีควาร์กทั้ง 6 เฟลเวอร์ ชื่อว่า อัพ (u), ดาวน์ (d), ชาร์ม (c), สเตรนจ์ (s), ท็อป (t), และบ็อทท็อม (b)[1] ปฏิยานุภาคของควาร์กเรียกว่า แอนติควาร์ก แสดงด้วยสัญลักษณ์ขีดบนอยู่เหนือตัวอักษรของควาร์ก เช่น Error no symbol defined แสดงถึงแอนติควาร์กของอัพ แอนติควาร์กมีลักษณะเหมือนกับปฏิสสารโดยทั่วไป คือมีมวลที่เท่ากัน ช่วงชีวิตเฉลี่ยเท่ากัน และมีสปินเหมือนกันกับควาร์กคู่ของมัน แต่มีประจุไฟฟ้ากับประจุอื่นๆ ในสัญลักษณ์ที่ตรงกันข้าม[6]

ควาร์กเป็นอนุภาคที่มีสปิน spin-1/2 หมายความว่า มันเป็นเฟอร์มิออนตามทฤษฎีบทสปินเชิงสถิติ (spin-statistics theorem) มีลักษณะตามหลักการกีดกันของเพาลีซึ่งระบุว่า ไม่มีเฟอร์มิออนที่เหมือนกันสองตัวใดๆ จะสามารถมีสถานะควอนตัมเดียวกันได้ ซึ่งตรงกันข้ามกับโบซอน (อนุภาคที่มีสปินเป็นเลขจำนวนเต็ม) ที่สามารถมีหลายตัวอยู่ในสถานะเดียวกันได้[7] ส่วนที่แตกต่างจากเลปตอน คือ ควาร์กมีประจุสี อันเป็นเหตุให้มันสามารถเข้าร่วมในอันตรกิริยาอย่างเข้มได้ ผลจากความดึงดูดระหว่างควาร์กที่แตกต่างกันสองตัว ทำให้เกิดการรวมตัวกันเป็นอนุภาคประกอบที่รู้จักกันในชื่อ ฮาดรอน (ดูหัวข้อ "อันตรกิริยาอย่างเข้มกับประจุสี" ด้านล่าง)

คุณสมบัติ[แก้]

ประจุไฟฟ้า[แก้]

ควาร์กมีค่าประจุไฟฟ้าเป็นเศษส่วน คือ −1/3 or +2/3 ของขนาดประจุมูลฐานขึ้นกับว่าเป็นเฟลเวอร์อะไร ถ้าเป็นควาร์กแบบอัพ ชาร์ม และท็อป (รวมๆ กันมักเรียกว่า "ควาร์กประเภทอัพ") จะมีประจุ +2/3 ขณะที่ควาร์กแบบดาวน์ สเตรนจ์ และบ็อททอม ("ควาร์กประเภทดาวน์") จะมีประจุ −1/3 แอนติควาร์กจะมีประจุตรงกันข้ามกับควาร์กที่เป็นคู่ของมัน คือ แอนติควาร์กประเภทอัพมีประจุ −2/3 และแอนติควาร์กประเภทดาวน์มีประจุ +1/3 ในเมื่อประจุไฟฟ้าของฮาดรอนนั้นเป็นผลรวมของประจุของควาร์กทั้งหมดที่เป็นส่วนประกอบ ดังนั้นฮาดรอนทั้งหมดจึงมีประจุเป็นจำนวนเต็ม ส่วนประสมของควาร์ก 3 ตัว (แบริออน), แอนติควาร์ก 3 ตัว (แอนติแบริออน) หรือควาร์กและแอนติควาร์ก 1 ตัว (มีซอน) ก็มีค่าประจุเป็นจำนวนเต็มเสมอ[8] ยกตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบนิวเคลียสอะตอมของฮาดรอนประกอบด้วยนิวตรอนและโปรตอน มีประจุ 0 และ +1 ตามลำดับ โดยที่นิวตรอนประกอบด้วยดาวน์ควาร์ก 2 ตัวและอัพควาร์ก 1 ตัว ส่วนโปรตอนประกอบด้วยอัพควาร์ก 2 ตัวและดาว์นควาร์ก 1 ตัว[9]

สปิน[แก้]

สปิน คือคุณสมบัติภายในของอนุภาคพื้นฐาน ทิศทางของสปินเป็นองศาอิสระที่มีความสำคัญ ในบางครั้งอาจมองภาพเป็นการหมุนของวัตถุรอบแกนของมันเองก็ได้ (ซึ่งเป็นที่มาของคำว่า สปิน ที่หมายถึง การปั่น) แม้จะเป็นการชี้นำที่ผิดไปบ้างในระดับของซับอะตอมมิกเนื่องจากเชื่อกันว่าอนุภาคพื้นฐานนั้นมีลักษณะเป็นจุด[10]

เราสามารถแสดงสปินได้ด้วยเวกเตอร์ซึ่งมีความยาววัดได้ในหน่วยของค่าคงที่ของพลังค์แบบย่อ ħ (อ่านว่า "เอชบาร์") สำหรับควาร์กนั้น การวัดองค์ประกอบเวกเตอร์ของสปินในแกนใดๆ จะได้ค่าออกมาเป็น +ħ/2 หรือ −ħ/2 อย่างใดอย่างหนึ่ง ด้วยเหตุนี้ ควาร์กจึงจัดว่าเป็นอนุภาค spin-1/2[11] องค์ประกอบของสปินตามแกนที่กำหนด (เรียกว่าแกน z) มักย่อด้วยรูปลูกศรชี้ขึ้น ↑ สำหรับค่า +1/2 และลูกศรชี้ลง ↓ สำหรับค่า −1/2 โดยวางไว้ที่ด้านหลังสัญลักษณ์ของเฟลเวอร์ ตัวอย่างเช่น อัพควาร์กที่มีสปิน +1/2 ตามแกน z จะเขียนย่อว่า u↑.[12]

อันตรกิริยาอย่างอ่อน[แก้]

ไดอะแกรมของเฟย์นแมนของการสลายให้อนุภาคบีตาโดยที่แกนเวลาชี้ขึ้นด้านบน ซึ่ง CKM matrix (ดูคำอธิบายข้างล่าง) เป็นตัวเข้ารหัสความน่าจะเป็นของเหตุการณ์นี้ รวมถึงการสลายตัวของควาร์กแบบอื่นๆ

ควาร์กที่มีเฟลเวอร์แบบหนึ่งสามารถเปลี่ยนรูปไปเป็นควาร์กของเฟลเวอร์อีกแบบหนึ่งได้ก็โดยผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อน ซึ่งเป็นอันตรกิริยาพื้นฐานชนิดหนึ่งในจำนวนสี่ชนิดของฟิสิกส์อนุภาค ทั้งนี้โดยการดูดซับหรือแผ่ W boson ทำให้ควาร์กประเภทอัพ (อัพ ชาร์ม และท็อปควาร์ก) สามารถเปลี่ยนไปเป็นควาร์กประเภทดาวน์ (ดาวน์ สเตรนจ์ และบ็อทท็อม) ได้ ในทางกลับกันก็เช่นเดียวกัน กลไกการเปลี่ยนรูปของเฟลเวอร์นี้ทำให้เกิดกระบวนการแผ่รังสีที่ทำให้เกิดการสลายให้อนุภาคบีตา ซึ่งนิวตรอน (Error no symbol defined) 1 ตัวจะแบ่งตัวกลายเป็นโปรตอน (Error no symbol defined) 1 ตัว อิเล็กตรอน (Error no symbol defined) 1 ตัว และอิเล็กตรอนแอนตินิวตริโน (Error no symbol defined) 1 ตัว (ดูภาพประกอบ) สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเมื่อดาวน์ควาร์กตัวหนึ่งในนิวตรอน (Error no symbol definedError no symbol definedError no symbol defined) เสื่อมสลายลงเป็นอัพควาร์กโดยการแผ่อนุภาคเสมือนของ Error no symbol defined โบซอน เปลี่ยนให้นิวตรอนกลายไปเป็นโปรตอน (Error no symbol definedError no symbol definedError no symbol defined) จากนั้นโบซอน Error no symbol defined นี้จะเสื่อมสลายไปเป็นอิเล็กตรอน 1 ตัวกับอิเล็กตรอนแอนตินิวตริโน 1 ตัว[13]

  Error no symbol defined   Error no symbol defined + Error no symbol defined + Error no symbol defined (Beta decay, hadron notation)
Error no symbol definedError no symbol definedError no symbol defined Error no symbol definedError no symbol definedError no symbol defined + Error no symbol defined + Error no symbol defined (Beta decay, quark notation)

การสลายให้อนุภาคบีตาทั้ง 2 แบบนี้ รวมถึงการกระบวนการย้อนกลับ มักมีการใช้อย่างสม่ำเสมอในทางการแพทย์ เช่น การตรวจเอกซ์เรย์ด้วยโพสิตรอน (PET) และในการทดลองฟิสิกส์พลังงานสูง เช่น การตรวจจับนิวตริโน

ภาพแสดงแรงของอันตรกิริยาอย่างอ่อนระหว่างควาร์กทั้งหก "ความเข้ม" ของเส้นถูกนิยามขขึ้นโดยองค์ประกอบของ CKM matrix

ขณะที่กระบวนการเปลี่ยนรูปเฟลเวอร์นี้เกิดขึ้นเหมือนๆ กันในควาร์กทุกชนิด ควาร์กแต่ละตัวก็มีแนวโน้มจะเปลี่ยนรูปไปเป็นควาร์กในตระกูลเดียวกันกับตัวเอง แนวโน้มความสัมพันธ์ในการเปลี่ยนรูปของเฟลเวอร์เหล่านี้เขียนได้ในรูปแบบตารางเมทริกซ์ เรียกว่า Cabibbo–Kobayashi–Maskawa matrix (CKM matrix) ค่าโดยประมาณของค่าต่างๆ ใน CKM matrix เป็นดังนี้:[14]

|V_ud| ≅ 0.974; |V_us| ≅ 0.225; |V_ub| ≅ 0.003; |V_cd| ≅ 0.225; |V_cs| ≅ 0.973; |V_cb| ≅ 0.041; |V_td| ≅ 0.009; |V_ts| ≅ 0.040; |V_tb| ≅ 0.999.

โดยที่ Vij แทนแนวโน้มของควาร์กที่มีเฟลเวอร์ i ที่จะเปลี่ยนไปเป็นควาร์กแบบเฟลเวอร์ j (หรือในทางกลับกัน)[nb 2]

มีตารางเมทริกซ์อันตรกิริยาอย่างอ่อนที่เทียบเท่ากันนี้สำหรับเลปตอน (อยู่ทางขวาของ W boson ในไดอะแกรมการสลายอนุภาคบีตาที่แสดงไว้ข้างบน) เรียกว่า Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata matrix (PMNS matrix)[15] ทั้งเมทริกซ์ CKM และ PMNS ล้วนอธิบายถึงการเปลี่ยนรูปของเฟลเวอร์ แต่ความเชื่อมโยงระหว่างเมทริกซ์ทั้งสองนี้ยังไม่เป็นที่เข้าใจชัดเจน[16]

หมายเหตุ[แก้]

  1. นับถึงเดือนสิงหาคม ค.ศ. 2010
  2. ความน่าจะเป็นที่แท้จริงของการสลายอนุภาคของควาร์กตัวหนึ่งไปเป็นอีกตัวหนึ่งนั้นเป็นฟังก์ชันที่ซับซ้อนของมวลของควาร์กที่กำลังสลายตัว มวลของผลผลิตจากการเสื่อมสลาย อนุภาคที่เกี่ยวเนื่องกันใน CKM matrix กับตัวแปรอื่นๆ อีกหลายตัว ความน่าจะเป็นนี้เป็นสัดส่วนที่แปรผันโดยตรง (แต่ไม่เท่ากัน) กับขนาดกำลังสอง (|Vij|2) ของจำนวนใน CKM ที่สัมพันธ์กัน

อ้างอิง[แก้]

  1. 1.0 1.1 R. Nave. "Quarks". HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. สืบค้นเมื่อ 2008-06-29. 
  2. 2.0 2.1 B. Carithers, P. Grannis (1995). "Discovery of the Top Quark" (PDF). Beam Line (SLAC) 25 (3): 4–16. สืบค้นเมื่อ 2008-09-23. 
  3. E.D. Bloom et al. (1969). "High-Energy Inelastic ep Scattering at 6° and 10°". Physical Review Letters 23 (16): 930–934. doi:10.1103/PhysRevLett.23.930. 
  4. M. Breidenbach et al. (1969). "Observed Behavior of Highly Inelastic Electron–Proton Scattering". Physical Review Letters 23 (16): 935–939. doi:10.1103/PhysRevLett.23.935. 
  5. C. Amsler et al. (Particle Data Group) (2008). "Higgs Bosons: Theory and Searches". Physics Letters B 667 (1): 1–1340. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. 
  6. S.S.M. Wong (1998). Introductory Nuclear Physics (2nd ed.). Wiley Interscience. p. 30. ISBN 0-471-23973-9. 
  7. K.A. Peacock (2008). The Quantum Revolution. Greenwood Publishing Group. p. 125. ISBN 031333448X. 
  8. G. Fraser (2006). The New Physics for the Twenty-First Century. Cambridge University Press. p. 91. ISBN 0521816009. 
  9. อ้างอิงผิดพลาด: ป้ายระบุ <ref> ไม่ถูกต้อง ไม่มีข้อความใดให้ไว้สำหรับอ้างอิงชื่อ Knowing
  10. "The Standard Model of Particle Physics". BBC. 2002. สืบค้นเมื่อ 2009-04-19. 
  11. F. Close (2006). The New Cosmic Onion. CRC Press. pp. 80–90. ISBN 1584887982. 
  12. D. Lincoln (2004). Understanding the Universe. World Scientific. p. 116. ISBN 9812387056. 
  13. "Weak Interactions". Virtual Visitor Center. Stanford Linear Accelerator Center. 2008. สืบค้นเมื่อ 2008-09-28. 
  14. K. Nakamura et al. (2010). "Review of Particles Physics: The CKM Quark-Mixing Matrix". J. Phys. G 37 (075021): 150. 
  15. 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. 
  16. B.C. Chauhan, M. Picariello, J. Pulido, E. Torrente-Lujan (2007). "Quark–lepton complementarity, neutrino and standard model data predict θPMNS13 = 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. 

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]