แบบจำลองมาตรฐาน

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
ไปยังการนำทาง ไปยังการค้นหา
แบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคมูลฐาน ที่มีรุ่นตระกูลของสสารสามรุ่นโดยมี เกจโบซอน อยู่ในแถวที่สี่ และฮิกส์โบซอนอยู่ในแถวที่ห้า

แบบจำลองมาตรฐาน (อังกฤษ: Standard Model) ของ ฟิสิกส์ของอนุภาค เป็นทฤษฎีหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับปฏิสัมพันธ์ของนิวเคลียสที่เป็นแบบแม่เหล็กไฟฟ้า, ที่อ่อนแอ, และที่แข็งแกร่ง เช่นเดียวกับการแยกประเภทของอนุภาคย่อยของอะตอมที่เรารู้จักแล้วทั้งหมด มันถูกพัฒนาขึ้นในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 ในฐานะที่เป็นความพยายามในความร่วมมือของนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก[1] รูปแบบปัจจุบันได้รับการสรุปขั้นตอนสุดท้ายในช่วงกลางของทศวรรษที่ 1970 ภายใต้การยืนยันด้วยการทดลองของการดำรงอยุ่ของควาร์ก ตั้งแต่นั้นมา การค้นพบทอปควาร์ก (1995), เทานิวทริโน (2000), และเร็ว ๆ นี้ ฮิกส์โบซอน (2012), ได้เพิ่มเครดิตให้กับแบบจำลองพื้นฐาน เนื่องจากความสำเร็จของมันในการอธิบายความหลากหลายอย่างกว้างขวางของผลลัพธ์จากการทดลอง แบบจำลองพื้นฐานบางครั้งถูกพิจารณาว่าเป็น "ทฤษฏีของเกือบทุกสิ่ง"

แม้ว่าแบบจำลองมาตรฐานจะถูกเชื่อว่าจะเป็นความสม่ำเสมอในทางทฤษฎีด้วยตัวมันเองก็ตาม[2] และได้แสดงให้เห็นถึงความสำเร็จอย่างใหญ่หลวงและต่อเนื่องในการให้การคาดการณ์จากการทดลองที่ดี มันทิ้งปรากฏการณ์ที่อธิบายไม่ได้บางอย่างไว้ให้และมันให้ผลงานต่ำกว่าที่ประมาณการไว้ของการเป็นทฤษฎีที่สมบูรณ์แบบของการปฏิสัมพันธ์พื้นฐาน มันไม่ได้รวบรวมทฤษฎีที่สมบูรณ์ของแรงโน้มถ่วง[3] ตามที่ถูกอธิบายไว้โดย'ความสัมพันธ์ทั่วไป' หรือมีส่วนรับผิดชอบในการขยายตัวแบบเร่งของจักรวาล (ตามที่อาจได้อธิบายไว้โดยพลังงานมืด) แบบจำลองไม่ได้ประกอบด้วยอนุภาคสสารมืดที่ใช้การได้ใด ๆ ที่ครอบครองทั้งหมดของคุณสมบัติที่ต้องการที่ได้ข้อสรุปมาจากจักรวาลที่สังเกตการณ์ มันก็ไม่ได้รวบรวมการสั่นของนิวตริโน (อังกฤษ: neutrino oscillation) (และมวลที่ไม่เป็นศูนย์ของพวกมัน) อีกด้วย

พัฒนาการของแบบจำลองมาตรฐานถูกผลักดันโดยนักฟิสิกส์อนุภาคที่ทำงานในทางทฤษฎีและการทดลองเหมือนกัน สำหรับนักทฤษฎีทั้งหลาย แบบจำลองมาตรฐานเป็นกระบวนทัศน์หนึ่งของ'ทฤษฎีสนามควอนตัม' ที่แสดงความหลากหลายของทฤษฎีฟิสิกส์ที่รวมถึง'การทำลายทางสมมาตรที่เกิดขึ้นเอง', ความผิดปกติด้านฟิสิกส์, พฤติกรรมที่ไม่รบกวน ฯลฯ มันถูกใช้เป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างแบบจำลองที่แปลกใหม่มากขึ้นที่จะรวบรวม'อนุภาคสมมุติ', พวกที่มีขนาดเกินพิเศษ, และพวกสมมาตรซับซ้อน (เช่นซูเปอร์สมมาตร) ในความพยายามหนึ่งที่จะอธิบายผลลัพธ์จากการทดลองที่แตกต่างกับแบบจำลองมาตรฐานเช่นการดำรงอยู่ของสสารมืดและการสั่นของนิวตริโน

ภาพรวม[แก้]

ในปัจจุบัน สสารและพลังงานจะเข้าใจดีที่สุดในแง่ของพลศาสตร์การเคลื่อนไหวและปฏิสัมพันธ์พื้นฐานของอนุภาคมูลฐาน ณ วันนี้ ฟิสิกส์ได้ลดกฎทางวิทยาศาสตร์ที่ควบคุมพฤติกรรมและปฏิสัมพันธ์ของทุกรูปแบบของสสารและพลังงานที่รู้จักกันแล้ว ให้เป็นชุดเล็ก ๆ ของทฤษฎีและกฎพื้นฐาน เป้าหมายหลักของฟิสิกส์ก็คือการหา "จุดร่วม" ที่จะรวบรวมทั้งหมดของทฤษฎีเหล่านี้เข้าด้วยกันให้เป็น'ทฤษฎีของทุกสิ่ง'แบบบูรณาการเพียงหนึ่งเดียว ซึ่งในทฤษฎีนี้ทั้งหมดของกฏอื่นที่รู้จักแล้วจะเป็นกรณีพิเศษ และจากกรณีพิเศษเหล่านี้พฤติกรรมของทุกสสารและพลังงานก็จะสามารถถูกค้นพบได้ (อย่างน้อยก็ในหลักการ)[4]

เนื้อหาของอนุภาค[แก้]

แบบจำลองมาตรฐานจะรวมถึงสมาชิกทั้งหลายของชั้นต่าง ๆ ของอนุภาคมูลฐาน (เฟอร์มิออน, เกจโบซอน, และฮิกส์โบซอน) ซึ่งจะสามารถแยกแยะความแตกต่างตามลักษณะสมบัติอื่น ๆ เช่นประจุสี

เฟอร์มิออน[แก้]

บทสรุปของปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคด้วยกันที่อธิบายโดยแบบจำลองมาตรฐาน

แบบจำลองมาตรฐานประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน 61 ชนิด ดังนี้[5]

อนุภาคมูลฐาน
จำนวนชนิด จำนวนรุ่นตระกูล ปฏิยานุภาค ประจุสี จำนวนรวม
ควาร์ก 2 3 คู่ 3 36
เลปตอน 2 3 คู่ ไม่มี 12
กลูออน 1 1 เดี่ยว 8 8
W โบซอน 1 1 คู่ ไม่มี 2
Z โบซอน 1 1 เดี่ยว ไม่มี 1
โฟตอน 1 1 เดี่ยว ไม่มี 1
ฮิกส์โบซอน 1 1 เดี่ยว ไม่มี 1
รวม 61

แรงพื้นฐาน[แก้]

ปฏิสัมพันธ์ในแบบจำลองมาตรฐาน แผนภาพฟายน์แมนสร้างมาจากจุดยอดเหล่านี้ q คือควาร์กใดๆ, g คือกลูออน, X คืออนุภาคมีประจุ, γ คือโฟตอน, f คือเฟอร์มิออน, m คืออนุภาคมีมวล (เป็นไปได้ว่ายกเว้นนิวตริโน), mB คือโบซอนมีมวล ในแผนภาพที่มีเครื่องหมายแยกด้วย / จะเป็นอนุภาคหนึ่งในนั้น ในแผนภาพที่มีเครื่องหมายแยกด้วย | เครื่องหมายจะต้องเป็นลำดับเดียวกัน เช่นแรงอย่างอ่อนในโบซอนสี่ตัวที่เป็นไปได้คือ WWWW, WWZZ, WWγγ, WWZγ [6]

บทความหลัก: อันตรกิริยาพื้นฐาน

แบบจำลองมาตรฐานใช้จำแนกแรงพิ้นฐานในธรรมชาติทั้งสี่ ในแบบจำลองมาตรฐาน แรงไดัรับการอธิบายว่าเป็นการแลกเปลี่ยนอย่างหนึ่งของพวกโบซอนระหว่างวัตถุที่ได้รับผลกระทบ เช่นโฟตอนสำหรับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและกลูออนสำหรับปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง อนุภาคเหล่านั้นจะถูกเรียกว่าพาหะแรง (อังกฤษ: force carrier)[7]

แรงพื้นฐานของธรรมชาติสี่อย่าง[8]
คุณสมบัติ/ปฏิสัมพันธ์ โน้มถ่วง อ่อนแอ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แข็งแรง
(electroweak) พื้นฐาน สิ่งที่เหลือ
กระทำต่อ: มวล - พลังงาน สายพันธ์ ประจุไฟฟ้า ประจุสี นิวเคลียส
อนุภาคที่ต้องประสพ: ทั้งหมด ควาร์ก, เลปตัน ประจุด้วยไฟฟ้า ควาร์ก, กลูออน แฮดรอน
อนุภาคที่เชื่อมโยง: แกรวิตอน
(ยังไม่พบ)
W+ W Z0 γ กลูออน มีซอน
ความแข็งแรงในมาตรวัดของควาร์ก: 10−41 10−4 1 60 ใช้ไม่ได้
กับควาร์ก
ความแข็งแรงในมาตรวัดของ
โปรตอน/นิวตรอน:
10−36 10−7 1 ใช้ไม่ได้
กับแฮดรอน
20

อ้างอิง[แก้]

  1. R. Oerter (2006). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics (Kindle ed.). Penguin Group. p. 2. ISBN 0-13-236678-9.
  2. ในความเป็นจริง ยังมีประเด็นด้านคณิตศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับทฤษฏีสนามควอนตัมที่ยังคงอยู่ระหว่างการอภิปราย (ดู Landau pole), แต่การคาดการณ์ที่สกัดจากแบบจำลองมาตรฐานโดยวิธีการขณะนี้จะนำไปใช้กับการทดลองในขณะนี้จะเป็นสม่ำเสมอด้วยตัวเองทั้งหมด สำหรับการหารือต่อไป ดู บทที่ 25 ของ R. Mann (2010). An Introduction to Particle Physics and the Standard Model. CRC Press. ISBN 978-1-4200-8298-2.
  3. Sean Carroll, Ph.D., Cal Tech, 2007, The Teaching Company, Dark Matter, Dark Energy: The Dark Side of the Universe, Guidebook Part 2 page 59, Accessed Oct. 7, 2013, "...แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาค: ทฤษฎีสมัยใหม่ของอนุภาคมูลฐานและปฏิสัมพันธ์ของพวกมัน... มันไม่ได้, พูดอย่างเข้มงวด, รวมถึงแรงโน้มถ่วง, ถึงแม้ว่ามันมักจะสะดวกที่จะรวมแกรวิตอนเข้าไปในกลุ่มของอนุภาคของธรรมชาติที่รู้จักแล้ว..."
  4. "รายละเอียดสามารถหาออกมาได้ถ้าสถานะการณ์จะง่ายพอสำหรับเราที่จะทำการประมาณการ, ซึ่งแทบจะไม่มีทางเป็นไปได้, แต่บ่อยครั้งเราสามารถเข้าใจได้ไม่มากก็น้อยว่ามันเกิดอะไรขึ้น" จาก The Feynman Lectures on Physics, Vol 1. pp. 2–7
  5. S. Braibant, G. Giacomelli, M. Spurio (2009). Particles and Fundamental Interactions: An Introduction to Particle Physics. Springer. p. 313-314. ISBN 978-94-007-2463-1.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  6. Lindon, Jack (2020). Particle Collider Probes of Dark Energy, Dark Matter and Generic Beyond Standard Model Signatures in Events With an Energetic Jet and Large Missing Transverse Momentum Using the ATLAS Detector at the LHC (PhD). CERN.
  7. http://home.web.cern.ch/about/physics/standard-model Official CERN website
  8. http://www.pha.jhu.edu/~dfehling/particle.gif

แหล่งข้อมูลอื่น[แก้]

สำหรับผู้อ่านทั่วไป[แก้]

  • Oerter, Robert (2006) The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Plume.
  • Schumm, Bruce A. (2004) Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics. Johns Hopkins Univ. Press. ISBN 0-8018-7971-X.
  • Victor Stenger (2000) Timeless Reality. Prometheus Books. Chpts. 9-12.
  • explain it in 60 seconds

ตำราพื้นฐาน[แก้]

  • W. Greiner and B. Müller, with a foreword by D.A. Bromley. (2000). Gauge Theory of Weak Interactions. Springer. ISBN 3-540-67672-4.
  • Coughlan, G. D., J. E. Dodd, and B. M. Gripaios (2006) The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists, 3rd ed. Cambridge Univ. Press. An undergraduate text for those not majoring in physics.
  • Griffiths, David J. (1987). Introduction to Elementary Particles. Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 0-471-60386-4.
  • Kane, Gordon L. (1987). Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books. ISBN 0-201-11749-5.

ตำราขั้นสูง[แก้]

  • Cheng, Ta Pei; Li, Ling Fong (2006). Gauge theory of elementary particle physics. Oxford University Press. ISBN 0-19-851961-3.CS1 maint: multiple names: authors list (link) Highlights gauge theory aspects of the Standard Model.
  • Donoghue, J. F.; Golowich, E.; Holstein, B. R. (1994). Dynamics of the Standard Model. Cambridge University Press. ISBN 978-0521476522.CS1 maint: multiple names: authors list (link) Highlights dynamical and phenomenological aspects of the Standard Model.
  • O'Raifeartaigh, L. (1988). Group structure of gauge theories. Cambridge University Press. ISBN 0-521-34785-8. Highlights group-theoretical aspects of the Standard Model.