อนุภาคมูลฐาน

ในฟิสิกส์ของอนุภาค อนุภาคมูลฐาน (อังกฤษ: elementary particle หรือ fundamental particle) หมายถึงอนุภาคหนึ่งที่โครงสร้างย่อยไม่เป็นที่รู้จัก ดังนั้นเราจึงไม่รู้ว่ามันประกอบขึ้นด้วยอนุภาคอื่นหรือไม่ มันเป็นหน่วยย่อยที่สุดในทางทฤษฎีฟิสิกส์ทั่วไป เราไม่ถือว่ามันประกอบขึ้นมาจากสิ่งใดอีก อนุภาคมูลฐานที่เรารู้จักกันดีที่สุดคือ อิเล็กตรอน ซึ่งไม่สามารถแยกย่อยเป็นอนุภาคใดๆได้อีก
อนุภาคมูลฐานที่รู้จักแล้ว ได้แก่ เฟอร์มิออนพื้นฐาน (ควาร์ก, เลปตอน, ปฏิควาร์ก และปฏิเลปตอน) ซึ่งอนุภาคเหล่านี้โดยทั่วไปเป็น "อนุภาคสสาร" และ "อนุภาคปฏิสสาร" อีกชนิดหนึ่งได้แก่ โบซอนพื้นฐาน (เกจโบซอน และอนุภาคฮิกส์) ซึ่งอนุภาคเหล่านี้โดยทั่วไปเป็น "อนุภาคแรง" ที่เป็นตัวเชื่อมปฏิสัมพันธ์พื้นฐานในหมู่เฟอร์มิออนด้วยกัน อนุภาคที่ประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานตั้งแต่สองอนุภาคขึ้นไปจะเป็น "อนุภาคผสม" (อังกฤษ: composite particle)
สสารในชีวิตประจำวันจะประกอบด้วยอะตอม ที่ครั้งหนึ่งเคยถูกสันนิษฐานว่ามันเป็นอนุภาคมูลฐานของสสาร คำว่า "อะตอม" แปลว่า "แบ่งไม่ได้" ในภาษากรีก แม้ว่าการมีอยู่ของอะตอมยังคงเป็นที่ถกเถียงกันจนถึงประมาณปี 1910 อย่างที่นักฟิสิกส์ชั้นนำบางคนถือว่าโมเลกุลเป็นภาพลวงตาทางคณิตศาสตร์ และถือว่าสสารอย่างสุดขั้วที่สุดจะประกอบด้วยพลังงาน ในไม่ช้า มีการค้นพบว่าอะตอมประกอบด้วยองค์ประกอบย่อย เมื่อเริ่มทศวรรษที่ 1930 อิเล็กตรอนและโปรตอนได้ถูกค้นพบ พร้อมกับโฟตอนซึ่งเป็นอนุภาคของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ในช่วงเวลานั้น การค้นพบล่าสุดของกลศาสตร์ควอนตัมได้มีก​​ารเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงของแนวคิดของอนุภาค อย่างเช่นอนุภาคเดี่ยวดูเหมือนจะสามารถขยายสนามได้อย่างที่คลื่นสามารถทำได้ (ทวิภาคของอนุภาคกับคลื่น (อังกฤษ: particle-wave duality)) ข้อความที่ขัดแย้งยังคงหลีกเลี่ยงคำอธิบายที่น่าพอใจ
โดยผ่านทางทฤษฎีควอนตัม โปรตอนและนิวตรอนถูกพบว่าประกอบด้วยควาร์กหลายตัว ได้แก่อัพควาร์กและดาวน์ควาร์ก ซึ่งในปัจจุบันถือว่าพวกนี้เป็นอนุภาคมูลฐาน และภายในโมเลกุลหนึ่ง สามองศาอิสระของอิเล็กตรอน (ประจุ, สปินและวงโคจร) สามารถแยกผ่านทาง wavefunction ออกเป็นสาม'อนุภาคคล้าย' (อังกฤษ: quasiparticle) (Holon, spinon และ Orbiton) แต่อิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งไม่ได้กำลังโคจรรอบนิวเคลียส จะขาดการเคลื่อนไหวในการโคจร และจะปรากฏในรูปที่แบ่งแยกไม่ได้ จึงยังคงถือว่าเป็นอนุภาคมูลฐาน
ราวปี 1980 สถานะของอนุภาคมูลฐานที่เป็นมูลฐานอย่างแท้จริง-"องค์ประกอบสุดชั้ว" ของสสาร- ได้ถูกละทิ้งเป็นส่วนใหญ่สำหรับแนวโน้มที่จะเป็นการปฏิบัติมากขึ้น ได้ถูกประมวลอยู่ในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาค ซึ่งเป็นทฤษฎีที่ประสบความสำเร็จจากทดลองทางวิทยาศาสตร์มากที่สุด การขยายความและทฤษฎีทั้งหลายที่อธิบายเกินกว่าแบบจำลองมาตรฐาน รวมทั้งทฤษฎี supersymmetry ที่นิยมกันอย่างสุดขั้ว ได้เพิ่มจำนวนอนุภาคมูลฐานเป็นสองเท่าโดยการตั้งสมมติฐานที่แต่ละอนุภาคที่รู้จักกันแล้วควบรวมเข้ากับพันธมิตร"เงา" ทำให้มีจำนวนอนุภาคมากกว่าเดิม แม้ว่าสุดยอดพันธมิตรดังกล่าวทั้งหมดยังคงไม่ได้ถูกค้นพบแต่อย่างใด ในขณะเดียวกัน โบซอนมูลฐานที่เป็นตัวเชื่อมแรงโน้มถ่วงที่เรียกว่า แกรวิตอน (Graviton) ก็ยังคงเป็นสมมุติฐานอยู่

อนุภาคมูลฐานทั่วไป

บทความหลัก: ความอุดมสมบูรณ์ขององค์ประกอบของจักรวาล
ตามแบบจำลองปัจจุบันของ Big Bang nucleosynthesis องค์ประกอบในยุคกำเนิดโลกของสสารที่มองเห็นได้ของจักรวาลควรจะเป็นไฮโดรเจนประมาณ 75% และฮีเลียม-4 25% (ในรูปของมวล) นิวตรอนถูกทำขึ้นจากหนึ่งอัพควาร์กและสองดาวน์ควาร์ก ในขณะที่โปรตอนถูกทำจากสองอัพควาร์กและหนึ่งดาวน์ควาร์ก เนื่องจากอนุภาคมูลฐานทั่วไปอื่น ๆ (เช่นอิเล็กตรอน, นิวตริโนหรือโบซอนอ่อนแอ) จะเบามากหรือหายากมากเมื่อเทียบกับนิวเคลียสของอะตอม เราจึงสามารถตัดทิ้งการมีส่วนร่วมในมวลของพวกมันที่มีต่อมวลรวมของจักรวาลที่สามารถสังเกตได้ ดังนั้น เราสามารถสรุปได้ว่าส่วนใหญ่ของมวลที่มองเห็นได้ของจักรวาลประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ซึ่ง เหมือนเช่นแบริออนทั้งหมด มีผลให้ประกอบด้วยอัพควาร์กและดาวน์ควาร์กจำนวนมาก
บางประมาณการก็บ่งบอกว่ามีแบริออนประมาณ 10⁸⁰ ตัว (เกือบทั้งหมดเป็นโปรตอนและนิวตรอน) ในจักรวาลที่สังเกตเห็นได้
จำนวนโปรตอนในจักรวาลที่สังเกตเห็นได้จะถูกเรียกว่า'จำนวน Eddington'
ในแง่ของจำนวนของอนุภาค บางประมาณการได้หมายความว่าเกือบทุกสสาร โดยไม่รวมสสารมืด, จะเกิดขึ้นในนิวตริโน และนั่นก็ประมาณ 10⁸⁶ เป็นอนุภาคมูลฐานของสสารที่มีอยู่ในจักรวาลที่มองเห็นได้ ส่วนใหญ่เป็นนิวตริโน ประมาณการอื่น ๆ บ่งบอกว่าประมาณ 10⁹⁷ เป็นอนุภาคมูลฐานที่มีอยู่ในจักรวาลที่มองเห็นได้ (ไม่รวมสสารมืด) ซึ่งส่วนใหญ่เป็นโฟตอน, แกรวิตอน และตัวบรรทุกแรงที่ไม่มีมวลอื่น ๆ

แบบจำลองมาตรฐาน

บทความหลัก: แบบจำลองมาตรฐาน
แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาคประกอบด้วย 12 สายพันธ์ (อังกฤษ: flavour) ของเฟอร์มิออนมูลฐานบวกกับปฏิยานุภาค (อังกฤษ: antiparticle) ที่สอดคล้องกันของพวกมัน เช่นเดียวกับโบซอนมูลฐานที่ตัวเชื่อมแรงต่าง ๆ กับและฮิกส์โบซอน ซึ่งมีรายงานเมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม 2012 ว่าดูเหมือนจะมีการตรวจพบโดยการทดลองหลักที่ LHC (ATLAS และ Compact Muon Solenoid (CMS)) อย่างไรก็ตาม แบบจำลองมาตรฐานได้รับการพืจารณาอย่างกว้างขวางที่จะเป็นทฤษฎีชั่วคราวมากกว่าจะเป็นทฤษฏีพื้นฐานอย่างแท้จริง เพราะมันไม่เป็นที่รู้จักว่ามันจะเข้ากันได้กับกฎสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein หรือไม่ อาจจะมีอนุภาคมูลฐานที่ยังเป็นสมมติฐานอยู่ไม่ได้มีการอธิบายโดยแบบจำลองมาตรฐาน เช่นแกรวิตอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่จะนำส่งแรงโน้มถ่วง และซูเปอร์พันธมิตรที่เรียกว่า sparticles ซึ่งเป็นพันธมิตรแบบ supersymmetric ของอนุภาคสามัญ

ควาร์ก

บทความหลัก: ควาร์ก
ควาร์กและปฏิควาร์กที่โดดเดี่ยวไม่เคยมีการตรวจพบ ความจริงหนึ่งที่อธิบายได้ด้วยการคุมขังแบบสี (อังกฤษ: Colour confinement) ทุก ๆ ควาร์กบรรทุกหนึ่งในสามของ'ประจุสี'ของ'ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง'; นั่นคือปฏิควาร์กบรรทุกปฏิสี (อังกฤษ: anticolor) ที่คล้ายกัน อนุภาคที่มีประจุสีทั้งหลายมีปฏิสัมพันธ์ต่อกันผ่านการแลกเปลี่ยนกลูออนในทางเดียวกับที่อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าปฏิสัมพันธ์ต่อกันผ่านการแลกเปลี่ยนโฟตอน อย่างไรก็ตาม ตัวกลูออนเองก็เป็นแบบประจุสี เป็นผลให้มีการขยายขนาดของแรงที่แข็งแกร่งเมื่ออนุภาคประจุสีถูกแยกออกจากกัน ไม่เหมือนกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งจะลดลงเมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าถูกแยกออกจากกัน อนุภาคประจุสีจะมีแรงเพิ่มขึ้น
อย่างไรก็ตามอนุภาคประจุสีอาจรวมตัวกันเพื่อสร้างรูปเป็นอนุภาคผสมที่เป็นกลางด้านสีที่เรียกว่าแฮดรอน ควาร์กอาจจับคู่กับปฏิควาร์ก: ควาร์กมีสีหนึ่งและปฏิควาร์กก็มีอีกสีหนึ่งที่เป็นปฏิปักษ์กัน (อังกฤษ: anticolor) ที่สอดคล้องกัน สีและปฏิสีจะหักล้างกันกลายเป็นมีซอนที่เป็นกลางด้านสี ในอีกทางเลือกหนึ่ง สามควาร์กสามารถอยู่ร่วมกันได้ โดยควาร์กเป็น "สีแดง" อีกควาร์กหนึ่งเป็น "สีน้ำเงิน" อีกควาร์กหนึ่งเป็น "สีเขียว" ทั้งสามควาร์กสีเหล่านี้รวมอยู่ด้วยกันในรูปแบบของแบริออนที่เป็นกลางด้านสี อย่างสมมาตร สามปฏิควาร์กที่มีสี "ปฏิแดง", "ปฏิน้ำเงืน" และ "ปฏิเขียว" สามารถสร้างเป็นปฏิแบริออนที่เป็นกลางด้านสี
ควาร์กมีประจุไฟฟ้าที่เป็นเศษส่วน แต่ เนื่องจากพวกมันถูกคุมขังอยู่ภายในแฮดรอนซึ่งประจุของมันเป็นจำนวนเต็มทั้งหมด ประจุที่เป็นเศษส่วนไม่เคยถูกโดดเดี่ยว ข้อสังเกตคือควาร์กมีประจุไฟฟ้าเท่ากับ +2/3 หรือ -1/3 อย่างใดอย่างหนึ่ง ในขณะที่ปฏิควาร์กมีแประจุไฟฟ้าที่สอดคล้องกันเท่ากับ -2/3 หรือ +1/3 อย่างใดอย่างหนึ่ง
หลักฐานสำหรับการดำรงอยู่ของควาร์กมาจาก'การกระจายที่ไม่ยืดหยุ่นและลึก' (อังกฤษ: deep inelastic scattering): นั่นคือการยิงอิเล็กตรอนไปทีนิวเคลียสเพื่อตรวจสอบการกระจายตัวของประจุภายในนิวคลีออน (ซึ่งเป็นแบริออน) ถ้าประจุมีรูปแบบเพียงอย่างเดียว (อังกฤษ: uniform) สนามไฟฟ้ารอบโปรตอนควรจะมีรูปแบบเดียวกันด้วย และอิเล็กตรอนควรจะกระจายอย่างยืดหยุ่น อิเล็กตรอนพลังงานต่ำจะกระจายในลักษณะนี้ แต่ ที่เหนือกว่าพลังงานโดยเฉพาะ โปรตอนจะเบี่ยงเบนอิเล็กตรอนบางตัวผ่านมุมขนาดใหญ่ อิเล็กตรอนที่หดตัวจะมีพลังงานน้อยกว่ามากและ'เจ็ทของอนุภาค'ถูกปล่อยออกมา การกระจายอย่างไม่ยืดหยุ่นนี้ชี้ให้เห็นว่าประจุในโปรตอนไม่ได้มีรูปแบบเดียวแต่แยกออกเป็นอนุภาคขนาดเล็กที่มีประจุที่เรียกว่า ควาร์ก

โบซอนพื้นฐาน

บทความหลัก: โบซอน
ในแบบจำลองมาตรฐาน โบซอนเวกเตอร์ (สปิน -1) (กลูออน, โฟตอนและ โบซอน W และ Z) เป็นตัวเชื่อมระหว่างแรงต่าง ๆ ในขณะที่ฮิกส์โบซอน (สปิน-0) รับผิดชอบต่อมวลที่แท้จริงของอนุภาค โบซอนแตกต่างจากเฟอร์มิออนในความเป็นจริงที่ว่าโบซอนหลายตัวสามารถครอบครองสภาวะควอนตัมเดียวกัน (หลักการกีดกันของเพาลี (อังกฤษ: Pauli exclusion principle)) นอกจากนี้ โบซอนยังสามารถเป็นอย่างใดอย่างหนึ่งได้แก่เป็นมูลฐานเช่นเช่นโฟตอน หรือเป็นแบบผสมเช่นมีซอน สปินของโบซอนเป็นจำนวนเต็ม แทนที่จะเป็นจำนวนครึ่ง

กลูออน

บทความหลัก: กลูออน
กลูออนเป็นตัวเชื่อมในการปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง ซึ่งเชื่อมโยงหลายควาร์กเข้าด้วยกันกลายเป็นแฮดรอน, ซึ่งเป็นแบริออน (สามควาร์ก) หรือมีซอน (หนึ่งควาร์กและหนึ่งปฏิควาร์ก) อย่างใดอย่างหนึ่ง โปรตอนและนิวตรอนเป็นแบริออน เมื่อเชื่อมเข้าด้วยกันด้วยกลูออนกลายเป็นนิวเคลียส เช่นเดียวกับควาร์ก กลูออนแสดง(ประจุ)สีและปฏิสีที่ไม่เกี่ยวข้องกับแนวคิดของสีที่มองเห็น บางครั้งในการผสมกัน ทั้งหมดมีแปดรูปแบบของกลูออนที่แตกต่างกัน

โบซอนไฟฟ้าอ่อนแอ

บทความหลัก: W และ Z โบซอน และ โฟตอน
มีสามเกจโบซอนแบบอ่อนแอ ได้แก่ W⁺, W⁻, และ Z⁰; โบซอนเหล่านี้เป็นตัวเชื่อมในการปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ W โบซอนเป็นที่รู้จักสำหรับการเป็นตัวเชื่อมของพวกมันในการสลายตัวของนิวเคลียส W⁻ จะแปลงนิวตรอนให้เป็นโปรตอน จากนั้นก็สลายตัวกลายเป็นอิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนปฏินิวทริโนคู่ Z⁰ ไม่แปลงประจุ แต่เปลี่ยนโมเมนตัมแทน และเป็นกลไกอย่างเดียวเท่านั้นสำหรับนิวตริโนที่กระจายอย่างยืดหยุ่น เกจโบซอนแบบอ่อนแอถูกค้นพบเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมในอิเล็กตรอนจากการแลกเปลี่ยนระหว่างนิวตริโนกับ Z. โฟตอนที่ไม่มีมวลจะเป็นตัวเชื่อมระหว่างการปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า เกจโบซอนสี่ตัวเหล่านี้สร้างรูปแบบของการปฏิสัมพันธ์แบบไฟฟ้าอ่อนแอ (อังกฤษ: electroweak interaction) ในหมู่อนุภาคมูลฐานต่าง ๆ

ฮิกส์โบซอน

บทความหลัก: ฮิกส์โบซอน
แม้ว่าแรงที่อ่อนแอและแรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะปรากฏต่อเราค่อนข้างแตกต่างกับพลังงานในชีวิตประจำวันก็ตาม ทั้งสองแรงนี้ก็ถูกตั้งเป็นทฤษฏีเพื่อที่จะรวมกันเป็นแรงเดียวที่เรียกว่าเรงไฟฟ้าอ่อนแอ (อังกฤษ: electroweak force) ที่พลังงานสูง เห็นได้ชัดว่าคำทำนายนี้ได้รับการยืนยันจากการตรวจวัดพื้นที่หน้าตัดสำหรับการกระจายอิเล็กตรอน-โปรตอนแบบพลังงานสูงที่เครื่องทดลองการชนของเครื่องเร่งอนุภาคเยอรมันชื่อว่า Hadron Elektron Ring Anlage (HERA) ที่ Deutsches Elektronen-Synchrotron (English German Electron Synchrotron) (DESY) ความแตกต่างทั้งหลายที่พลังงานต่ำเป็นผลมาจากมวลที่สูงมากของ W และ Z โบซอน, ซึ่งเป็นผลมาจากกลไกของฮิกส์. ด้วยกระบวนการของ'การแตกออกแบบสมมาตรที่เกิดขึ้นเอง' ฮิกส์เลือกทิศทางหนึ่งที่พิเศษในพื้นที่ไฟฟ้าอ่อนแอที่จะทำให้อนุภาคไฟฟ้าอ่อนแอสามตัวมีน้ำหนักมาก (โบซอนอ่อนแอทั้งหลาย) และทำให้ตัวหนึ่งยังคงปราศจากมวล (โฟตอน) ในวันที่ 4 กรกฎาคม 2012 หลังจากหลายปีของการค้นหาด้วยการทดลองเพื่อหาหลักฐานของการดำรงอยู่ของมัน, ฮิกส์โบซอนได้รับการประกาศว่าสามารถสังเกตได้ที่เครื่องทดลองการชนแฮดรอนขนาดใหญ่ (อังกฤษ: Large Hadron Collider) ของ CERN นายปีเตอร์ ฮิกส์ เป็นคนแรกที่ค้นพบการดำรงอยู่ของฮิกส์โบซอนได้ปรากฏตัวที่การประกาศนั้น เชื่อกันว่าฮิกส์โบซอนมีมวลประมาณ 125 GeV 'คุณค่าทางสถิติ'ของการค้นพบนี้ถูกรายงานว่า 5 ซิกมา ซึ่งหมายถึงความเชื่อมั่นอยู่ที่ประมาณ 99.99994% ในฟิสิกส์ของอนุภาค นี้เป็นระดับของคุณค่าที่จำเป็นในการขึ้นป้ายอย่างเป็นทางการว่าการสังเกตที่ได้จากการทดลองเป็น'การค้นพบ' การวิจัยในคุณสมบัติต่าง ๆ ของอนุภาคที่ถูกค้นพบใหม่มีการดำเนินการต่อไป

แกรวิตอน

บทความหลัก: แกรวิตอน
แกรวิตอนได้รับการตั้งสมมติฐานเพื่อเป็นตัวเชื่อมของแรงโน้มถ่วง แต่ก็ยังคงไม่ถูกค้นพบและบางครั้งมันก็ยังรวมอยู่ในตารางของอนุภาคมูลฐาน สปินของมันน่าจะเป็นสอง ดังนั้นมันจึงเป็นโบซอนตัวหนึ่ง และมันจะขาดประจุและมวล นอกเหนือจากการเป็นตัวเชื่อมของแรงที่อ่อนกำลังอย่างสุดขั้ว แกรวิตอนน่าจะมีปฏิยานุภาคของมันเอง และสลายตัวอย่างรวดเร็ว, ทำให้การตรวจพบตัวมันมีความยากลำบากอย่างมากแม้ว่ามันจะมีอยู่จริง