ฟิสิกส์ของอนุภาค

ฟิสิกส์ของอนุภาค (อังกฤษ: particle physics) เป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่ศึกษาธรรมชาติของอนุภาคทั้งหลายที่รวมตัวกันขึ้นเป็นสสาร (อนุภาคที่มีมวล) และ การฉายรังสี (อนุภาคที่ไม่มีมวล) แม้ว่าคำว่า "อนุภาค" สามารถหมายถึงวัตถุที่มีขนาดเล็กมากหลากหลายชนิด (เช่นโปรตอน อนุภาคก๊าซ หรือแม้กระทั่งฝุ่นในครัวเรือน), "ฟิสิกส์ของอนุภาค" มักจะสำรวจตรวจหาอนุภาคที่มีขนาดเล็กที่สุด สามารถตรวจพบได้ ไม่สามารถลดขนาดลงได้อีก และมีสนามฟิสิกส์ที่มีแรงขนาดพื้นฐานที่ลดขนาดลงไม่ได้ที่จำเป็นต้องใช้ในการที่จะอธิบายตัวมันเองได้ ตามความเข้าใจของเราในปัจจุบัน อนุภาคมูลฐานเหล่านี้เป็นการกระตุ้นของสนามควอนตัมที่ควบคุมการปฏิสัมพันธ์ของพวกมันอีกด้วย ทฤษฎีที่โดดเด่นในปัจจุบันที่ใช้อธิบายอนุภาคมูลฐานและสนามเหล่านี้ พร้อมกับการเปลี่ยนแปลง (ไดนามิกส์) ของพวกมัน จะถูกเรียกว่าแบบจำลองมาตรฐาน ดังนั้นฟิสิกส์ของอนุภาคที่ทันสมัยโดย​​ทั่วไปจะสำรวจแบบจำลองมาตรฐานและส่วนขยายที่เป็นไปได้ต่าง ๆ ของพวกมัน เช่น ส่วนขยายไปที่อนุภาคใหม่ล่าสุด "เท่าที่รู้จักกัน" ที่เรียกว่า Higgs boson หรือแม้กระทั่งไปที่สนามของแรงที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่รู้จักกัน คือแรงโน้มถ่วง

อนุภาคย่อยของอะตอม

เนื้อหาของอนุภาคที่เป็นแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์

อนุภาคมูลฐาน

	ชนิด	รุ่นในตระกูล	ปฏิอนุภาค	ประจุสี	Total
ควาร์ก	2	3	คู่	3	36
Leptons			คู่	ไม่มี	12
Gluons	1	1	เดี่ยว	8	8
Photon			เดี่ยว	ไม่มี	1
Z Boson			เดี่ยว		1
W Boson			คู่		2
Higgs			Own		1
จำนวนโดยรวม(เท่าที่รู้)ของอนุภาคมูลฐาน :					61

การวิจัยด้านฟิสิกส์ของอนุภาคที่ทันสมัยจะมุ่งเน้นไปที่อนุภาคของอะตอมย่อย (อังกฤษ: subatomic particle) รวมทั้งองค์ประกอบที่สร้างขึ้นเป็นอะตอมเช่นอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน (โปรตอนและนิวตรอนเป็นอนุภาคผสมที่เรียกว่าแบริออน ทำจากหลายควาร์ก) ที่ผลิตโดยกระบวนการกัมมันตรังสีและการกระจัดกระจาย เช่นโฟตอน นิวตริโน และมิวออน เช่นเดียวกับอีกหลากหลายของอนุภาคที่แปลกใหม่ ไดนามิกส์ของอนุภาคทั้งหลายยังถูกควบคุมโดยกลศาสตร์ควอนตัมอีกด้วย; โดยพวกมันจะแสดงออกเป็นสองภาคของคลื่นและของอนุภาค (อังกฤษ: wave–particle duality) นั่นคือมันจะแสดงพฤติกรรมเหมือนกับเป็นอนุภาคภายใต้สภาวะการทดลองบางอย่างและพฤติกรรมเหมือนกับเป็นคลื่นในสภาวะอื่น ๆ ในความหมายทางเทคนิคมากขึ้น พวกมันจะถูกอธิบายโดยเวกเตอร์ของสภาวะควอนตัมใน Hilbert space, ซึ่งถูกปฏิบัติในทฤษฎีสนามควอนตัมเช่นกัน หลังจากการประชุมของนักฟิสิกส์ด้านอนุภาค คำว่าอนุภาคมูลฐานถูกนำไปใช้กับอนุภาคเหล่านั้นที่ถูก(ตามที่เข้าใจในปัจจุบัน)สันนิษฐานว่าเป็นพวกที่แบ่งแยกไม่ได้และไม่ประกอบด้วยอนุภาคอื่น ๆ

อนุภาคและปฏิสัมพันธ์ของพวกมันที่ถูกสังเกตจนถึงวันนี้ทั้งหมด สามารถอธิบายได้เกือบทั้งหมดโดยทฤษฎีสนามควอนตัมที่เรียกว่าแบบจำลองมาตรฐาน ซึ่งแบบจำลองมาตรฐานนี้ตามสมมติฐานปัจจุบันมี 61 อนุภาคมูลฐาน อนุภาคมูลฐานเหล่านั้นสามารถรวมกันเป็นอนุภาคผสม, ทำให้เกิดหลายร้อยสายพันธุ์อื่น ๆ ของอนุภาคที่มีการค้นพบมาตั้งแต่ทศวรรษที่ 1960 แบบจำลองมาตรฐานถูกรับพบว่าเห็นด้วยกับเกือบทุกการทดสอบในแบบทดลองที่ถูกดำเนินการจนถึงวันนี้ อย่างไรก็ตามส่วนใหญ่ของนักฟิสิกส์ด้านอนุภาคเชื่อว่ามันเป็นคำอธิบายที่ไม่สมบูรณ์ของธรรมชาติและเชื่อว่าทฤษฎีที่เป็นพื้นฐานมากกว่ากำลังรอคอยการค้นพบ (ดูทฤษฎีของทุกสิ่ง) ในปีที่ผ่านมาการตรวจวัดมวลของนิวตริโนได้ให้ผลลัพธ์ที่เบี่ยงเบนไปจากการทดลองเป็นครั้งแรกจากแบบจำลองมาตรฐาน

ประวัติ

แนวคิดที่ว่า สสารทุกๆ ชนิดประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐาน 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 ลีเซอ ไมท์เนอร์ (อยู่บนการทดลองของ ออทโท ฮาน) และ นิวเคลียร์ฟิวชั่นโดย ฮันส์ เบเทอ ในปีเดียวกัน การค้นพบดังกล่าวสร้างความตื่นตัวทางอุตสาหกรรมของการสร้างอะตอมหนึ่งไปเป็นอีกอะตอมหนึ่ง ยิ่งไปกว่านั้นเป็นการช่วยทำให้การแปลงตะกั่วกลายเป็นทองเกิดขึ้นได้จริง ยังนำไปสู่การสร้างอาวุธนิวเคลียร์ โดยตลอดปี 1950 ถึงปี 1960 ได้พบความงุนงงจากการค้นพบอนุภาคที่พบในการทดลองการกระเจิง (Scattering Experiments) สิ่งนี้ได้อ้างถึง particle zoo และได้ถูกคัดค้าน ภายหลังจาก สูตรของแบบจำลองมาตรฐานในช่วงปี 1970 ที่ซึ่งอนุภาคขนาดใหญ่ถูกอธิบายว่าเป็นการประกอบกันของอนุภาคพื้นฐานที่มีขนาดเล็ก

ดูเพิ่ม

• ฟิสิกส์เชิงออนุภาค (unparticle physics)