ฟิสิกส์ของอนุภาค

ไฟล์:First Gold Beam-Beam Collision Events at RHIC at 100 100 GeV c per beam recorded by STAR.jpg

การระเบิดที่เกิดจากการปะทะกันของสองไอออนของทองคำ

ฟิสิกส์พลังงานสูง (high energy physics) หรือ ฟิสิกส์(เชิง)อนุภาค (particle physics) คือฟิสิกส์ที่อธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติในระดับพลังงานที่สูงที่เราไม่พบเห็นในชีวิตประจำวัน โดยศึกษาอนุภาคย่อยของอะตอม (subatomic particles) และอันตรกิริยา (interactions) ที่เหล่าอนุภาคกระทำกัน การทดลองทางฟิสิกส์พลังงานสูงกระทำกันโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาค (particle accelerator) ซึ่งอาจจะมีพลังงานในระดับเมกกะอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV) จนถึงเทราอิเล็กตรอนโวลต์ (TeV)

ประเทศไทยมีเครื่องเร่งอนุภาคที่ ภาคฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ และที่ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี ซึ่งเป็นเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงที่สุดในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้

อนุภาคย่อย

การวิจัยฟิสิกส์เชิงอนุภาคยุคใหม่ให้ความสนใจไปที่อนุภาคย่อย (subatomic particle) ซึ่งเป็นโครงสร้างเล็กกว่าอะตอม ซึ่งได้รวมถึงพื้นฐานอะตอมอย่าง อิเล็กตรอน,โปรตอนและนิวตรอน (โปรตอนและนิวตรอนเป็นอนุภาคที่เกิดขึ้นจริงจากการประกอบกันของควาร์ก) อนุภาคถูกสร้างขึ้นโดยวิธีการใช้รังสีและการกระจาย(Radiative and scattering processes) เช่น โฟตอน นิวทริโน และมิวออน โดยอยู่ในขอบเขตของ exotic particle

ถ้าพูดกันอย่างเคร่งครัดแล้ว คำว่า Particle เป็นคำที่ไม่เหมาะสม เพราะแนวความคิดของอนุภาคอยู่ภายใต้ขอบเขตของกลศาสตร์ควอนตัม สิ่งที่แสดงให้เห็นดังเช่น ความเป็นทวิภาคของอนุภาค (Wave-Particle Duality) การแสดงความเป็นอนุภาคภายใต้เงื่อนไขที่แน่นอนของการทดลองและความเป็นคลื่นในกรณีอื่นๆ (เราสามารถอธิบายได้ด้วยState Vectors ใน Hilbert Space ดูใน Quantum Field Theory) ตามข้อตกลงของนักฟิสิกส์ Elementary Particles หมายถึง วัตถุประเภท อิเล็กตรอนและโปรตอน ด้วยความเข้าใจที่ว่า อนุภาค (Particle) สามารถแสดงตัวได้ทั้งในลักษณะคลื่นได้

ทุกอนุภาคและการทำปฏิกิริยากันของพวกนั้นได้ถูกสังเกตอย่างชัดเจนโดยทฤษฎี ที่เรียกว่า แบบจำลองมาตรฐาน แบบจำลองมาตรฐานมี 40 สายพันธุ์ตามอนุภาคพื้นฐาน (มี24 fermions 12 vertor bosons และ 4 scalar bosons) ซึ่งสามารถรวมกันอยู่ในรูปอนุภาคแบบผสมซึ่งตั้งแต่ปี 1960 เราทำรายชื่อนับจำนวนได้ราวๆ ร้อยสายพันธุ์ แบบจำลองมาตรฐานได้ถูกพิสูจน์แล้วว่าได้ผลตรงกับการทดลอง อย่างไรก็ดี นักฟิสิกส์อนุภาคเชื่อว่า มันยังอธิบายธรรมชาติได้ไม่สมบูรณ์ และยังมีทฤษฎีพื้นฐานอื่นๆอีกที่รอการค้นพบ เมื่อไม่นานมานี้พบว่าการวัดมวลของนิวตริโนนั้นมีค่าที่เบี่ยงเบนไปจากแบบจำลองมาตรฐาน

ฟิสิกส์เชิงอนุภาคได้มีผลกระทบมากต่อปรัชญาวิทยาศาสตร์ นักฟิสิกส์อนุภาคบางคนยึดมั่นในความลดลง (เป็นพวก Reductionlism หมายถึง การเข้าใจธรรมชาติของสิ่งที่ซับซ้อนด้วยการลดการทำปฏิกิริยาต่อส่วนต่างๆของมัน) จุดที่มองได้ถูกการวิพากษ์วิจารณ์และการปกป้องจากนักปรัชญาและนักวิทยาศาสตร์

ประวัติ

แนวคิดที่ว่า สสารทุกๆ ชนิดกระกอบด้วยอนุภาคพื้นฐาน มีมาตั้งแต่ ก่อนคริสตกาล นักปรัชญาที่มีแนวคิดเรื่องทฤษฎีอะตอมและธรรมชาติของอนุภาคพื้นฐานได้มีการศึกษามาตั้งแต่นักปรัชญากรีกโบราณ เช่น Leucippus, Democritus และ Epicurus นักปรัชญาอินเดียโบราณ เช่น Kanada, Dignāga และ Dharmakirti ยุคกลาง นักฟิสิกส์ชาวอารบิก เช่น Alhazen, Avicenna และ Algazel นักฟิสิกส์ชาวยุโรปในยุคใหม่ เช่น Pierre Gassendi, Robert Boyle และ Isaac Newton ทฤษฎีอนุภาคของแสงได้เคยถูกเสนอขึ้นโดยAlhazen, Avicenna, Gassendi และ Newton

ในคริสตศวรรษที่ 19 จอห์น ดาลตัน ช่วงที่เขากำลังทำงานเกี่ยวกับ stoichiometry (การศึกษาเกี่ยวกับปริมาณความสัมพันธ์ระหว่างผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นในวิชาเคมี) ได้ตัดสินใจว่า ธาตุต่างๆนั้นที่มีอยู่ในธรรมชาติประกอบขึ้นมาจากอนุภาคอย่างเดียว ดาลตันและคนสมัยนั้นเชื่อว่าสิ่งนั้นเป็นอนุภาคพื้นฐานของธรรมชาติจึงตั้งชื่อว่าอะตอม มาจากคำว่า Atomos แปลว่า แบ่งแยกอีกไม่ได้ อย่างไรก็ดีช่วงปลายศตวรรษนั้น นักฟิสิกส์พบว่า อะตอมไม่ได้แบ่งแยกอีกไม่ได้ อะตอมเป็นการรวมกันเป็นกลุ่มเป็นก้อนของอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่า ช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่20การสำรวจของนิวเคลียร์ฟิสกส์และควอนตัมฟิสิกส์ได้ถึงจุดสูงสุด ด้วยการพิสูจน์ของนิวเคลียร์ฟิชชั่นในปี 1939 โดย Lise Meitner (อยู่บนการทดลองของ Otto Hahn) และ นิวเคลียร์ฟิวชั่นโดย Hans Bethe ในปีเดียวกัน การค้นพบดังกล่าวสร้างความตื่นตัวทางอุตสาหกรรมของการสร้างอะตอมหนึ่งไปเป็นอีกอะตอมหนึ่ง ยิ่งไปกว่านั้นเป็นการช่วยทำให้การแปลงตะกั่วกลายเป็นทองเกิดขึ้นได้จริง ยังนำไปสู่การสร้างอาวุธนิวเคลียร์ โดยตลอดปี 1950 ถึงปี 1960 ได้พบความงุนงงจากการค้นพบอนุภาคที่พบในการทดลองการกระเจิง (Scattering Experiments) สิ่งนี้ได้อ้างถึง particle zoo และได้ถูกคัดค้าน ภายหลังจาก สูตรของแบบจำลองมาตรฐานในช่วงปี 1970 ที่ซึ่งอนุภาคขนาดใหญ่ถูกอธิบายว่าเป็นการประกอบกันของอนุภาคพื้นฐานที่มีขนาดเล็ก

ดูเพิ่ม

• ฟิสิกส์เชิงออนุภาค (unparticle physics)