ควาร์ก

ควาร์ก ( อ่านว่า  หรือ ) คืออนุภาคมูลฐานและเป็นส่วนประกอบพื้นฐานของสสาร ควาร์กมากกว่าหนึ่งตัวเมื่อรวมตัวกันจะเป็นอีกอนุภาคหนึ่งที่เรียกว่าแฮดรอน () ส่วนที่เสถียรที่สุดของแฮดรอนสองลำดับแรกคือโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งทั้งคู่เป็นส่วนประกอบสำคัญของนิวเคลียสของอะตอม เนื่องจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Color Confinement ควาร์กจึงไม่สามารถสังเกตได้โดยตรงหรือพบตามลำพังได้ มันสามารถพบได้ภายในแฮดรอนเท่านั้น เช่น แบริออน (ซึ่งโปรตอนและนิวตรอนเป็นตัวอย่าง) และภายใน เมซอน (มี'ซอน หรือเมซ'ซัน เป็นอนุภาคที่มีมวลระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตรอน มีประจุเป็นกลาง หรือเป็นบวกหรือลบ มีค่าสปิน) ด้วยเหตุผลนี้ สิ่งที่เรารู้จำนวนมากเกี่ยวกับควาร์กจึงได้มาจากการสังเกตที่ตัวแฮดรอนเอง

ควาร์กมีอยู่ 6 ชนิด เรียกว่า 6 สายพันธุ์ หรือ flavour ได้แก่ อัพ (up), ดาวน์ (down), ชาร์ม (charm), สเตรนจ์ (strange), ท็อป (top), และ บอตทอม (bottom) อัพควาร์กและดาวน์ควาร์กเป็นแบบที่มีมวลต่ำที่สุดในบรรดาควาร์กทั้งหมด ควาร์กที่หนักกว่าจะเปลี่ยนแปลงมาเป็นควาร์กแบบอัพและดาวน์อย่างรวดเร็วโดยผ่านกระบวนการการเสื่อมสลายของอนุภาค () ซึ่งเป็นกระบวนการเปลี่ยนสถานะของอนุภาคที่มีมวลมากกว่ามาเป็นสถานะที่มีมวลน้อยกว่า ด้วยเหตุนี้ อัพควาร์กและดาวน์ควาร์กจึงเป็นชนิดที่เสถียร และพบได้ทั่วไปมากที่สุดในเอกภพ ขณะที่ควาร์กแบบชาร์ม สเตรนจ์ ทอป และบอตทอม จะเกิดขึ้นได้ก็จากการชนที่มีพลังงานสูงเท่านั้น (เช่นที่อยู่ในรังสีคอสมิกและในเครื่องเร่งอนุภาค)

ควาร์กมีคุณสมบัติในตัวหลายประการ ซึ่งรวมถึงประจุไฟฟ้า ประจุสี สปิน และมวล ควาร์กเป็นอนุภาคมูลฐานเพียงชนิดเดียวในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาคที่สามารถมีปฏิกิริยากับแรงพื้นฐานได้ครบหมดทั้ง 4 ชนิด (คือ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, แรงโน้มถ่วง, อันตรกิริยาอย่างเข้ม และอันตรกิริยาอย่างอ่อน) รวมถึงยังเป็นอนุภาคเพียงชนิดเดียวเท่าที่รู้จักซึ่งมีประจุไฟฟ้าที่ไม่ใช่ตัวเลขจำนวนเต็มคูณกับประจุมูลฐาน ทุกๆ สายพันธ์ของควาร์กจะมีคู่ปฏิยานุภาค เรียกชื่อว่า ปฏิควาร์ก ซึ่งมีความแตกต่างกับควาร์กแค่เพียงคุณสมบัติบางส่วนที่มีค่าทางขนาดเท่ากันแต่มีสัญลักษณ์ตรงกันข้าม

มีการนำเสนอแบบจำลองควาร์กจากนักฟิสิกส์ 2 คนโดยแยกกัน คือ เมอร์เรย์ เกลล์-แมนน์ และ จอร์จ ซวิก ในปี ค.ศ. 1964 ซึ่งเสนอว่าควาร์กเป็นส่วนหนึ่งของรูปแบบของแฮดรอน มีหลักฐานที่แสดงถึงการมีอยู่จริงของพวกมันเพียงเล็กน้อยเท่านั้น จนกระทั่งมีการทดลองการกระจายแบบไม่ยืดหยุ่นแต่ลึก () ที่ห้องทดลองการเร่งอนุภาคแห่งชาติ SLAC (SLAC National Accelerator Laboratory) ในปี ค.ศ. 1968 เริ่มมีการสังเกตเฟลเวอร์ทั้งหกของควาร์กจากการทดลองเร่งอนุภาคในครั้งนั้น ควาร์กแบบทอป ซึ่งสังเกตพบครั้งแรกที่ เฟอร์มิแล็บ ในปี ค.ศ. 1995 นับเป็นเฟลเวอร์ที่ถูกค้นพบเป็นลำดับสุดท้าย

การจัดประเภท 

แบบจำลองมาตรฐานเป็นกรอบการทำงานในทางทฤษฎีใช้เพื่ออธิบายถึงอนุภาคมูลฐานทั้งหมดที่รู้จักกันในปัจจุบัน ซึ่งรวมถึงอนุภาคที่ยังไม่อาจสังเกตพบ คือ อนุภาคฮิกส์ ด้วย แบบจำลองนี้มีควาร์กทั้ง 6 สายพันธ์ () ชื่อว่า อัพ (u), ดาวน์ (d), ชาร์ม (c), สเตรนจ์ (s), ทอป (t), และบอตทอม (b) ปฏิยานุภาคของควาร์กเรียกว่า ปฏิควาร์ก แสดงด้วยสัญลักษณ์ขีดบนอยู่เหนือตัวอักษรของควาร์ก เช่น อัพปฏิควาร์ก มีสัญญลักษณ์ว่า  แสดงถึงปฏิควาร์กของอัพ ปฏิควาร์กมีลักษณะเหมือนกับปฏิสสารโดยทั่วไป คือมีมวลที่เท่ากัน ช่วงชีวิตเฉลี่ยเท่ากัน และมีสปินเหมือนกันกับควาร์กคู่ของมัน แต่มีประจุไฟฟ้ากับประจุอื่นๆ ในสัญลักษณ์ที่ตรงกันข้าม

ควาร์กเป็นอนุภาคที่มีสปิน spin- หมายความว่า มันเป็นเฟอร์มิออนตามทฤษฎีบทสปินเชิงสถิติ (spin-statistics theorem) มีลักษณะตามหลักการกีดกันของเพาลีซึ่งระบุว่า ไม่มีเฟอร์มิออนที่เหมือนกันสองตัวใดๆ จะสามารถมีสถานะควอนตัมเดียวกันได้ ซึ่งตรงกันข้ามกับโบซอน (อนุภาคที่มีสปินเป็นเลขจำนวนเต็ม) ที่สามารถมีหลายตัวอยู่ในสถานะเดียวกันได้ ส่วนที่แตกต่างจากเลปตอน คือ ควาร์กมีประจุสี อันเป็นเหตุให้มันสามารถเข้าร่วมในอันตรกิริยาอย่างเข้มได้ ผลจากความดึงดูดระหว่างควาร์กที่แตกต่างกันสองตัว ทำให้เกิดการรวมตัวกันเป็นอนุภาคประกอบที่รู้จักกันในชื่อ แฮดรอน (ดูหัวข้อ "อันตรกิริยาอย่างเข้มกับประจุสี" ด้านล่าง)

คุณสมบัติ

ประจุไฟฟ้า 

ควาร์กมีค่าประจุไฟฟ้าเป็นเศษส่วน คือ − or + ของขนาดประจุมูลฐานขึ้นกับว่าเป็นเฟลเวอร์อะไร ถ้าเป็นควาร์กแบบอัพ ชาร์ม และท็อป (รวมๆ กันมักเรียกว่า "ควาร์กประเภทอัพ") จะมีประจุ + ขณะที่ควาร์กแบบดาวน์ สเตรนจ์ และบ็อททอม ("ควาร์กประเภทดาวน์") จะมีประจุ − ปฏิควาร์กจะมีประจุตรงกันข้ามกับควาร์กที่เป็นคู่ของมัน คือ ปฏิควาร์กประเภทอัพมีประจุ − และปฏิควาร์กประเภทดาวน์มีประจุ + ในเมื่อประจุไฟฟ้าของแฮดรอนนั้นเป็นผลรวมของประจุของควาร์กทั้งหมดที่เป็นส่วนประกอบ ดังนั้นแฮดรอนทั้งหมดจึงมีประจุเป็นจำนวนเต็ม ส่วนประสมของควาร์ก 3 ตัว (แบริออน), ปฏิควาร์ก 3 ตัว (ปฏิแบริออน) หรือควาร์กและปฏิควาร์ก 1 ตัว (เมซอน) ก็มีค่าประจุเป็นจำนวนเต็มเสมอ ยกตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบนิวเคลียสอะตอมของแฮดรอนประกอบด้วยนิวตรอนและโปรตอน มีประจุ 0 และ +1 ตามลำดับ โดยที่นิวตรอนประกอบด้วยดาวน์ควาร์ก 2 ตัวและอัพควาร์ก 1 ตัว ส่วนโปรตอนประกอบด้วยอัพควาร์ก 2 ตัวและดาว์นควาร์ก 1 ตัว

สปิน 

สปิน คือคุณสมบัติภายในของอนุภาคพื้นฐาน ทิศทางของสปินเป็นองศาอิสระที่มีความสำคัญ ในบางครั้งอาจมองภาพเป็นการหมุนของวัตถุรอบแกนของมันเองก็ได้ (ซึ่งเป็นที่มาของคำว่า สปิน ที่หมายถึง การปั่น) แม้จะเป็นการชี้นำที่ผิดไปบ้างในระดับของอนุภาคย่อยของอะตอมเนื่องจากเชื่อกันว่าอนุภาคพื้นฐานนั้นมีลักษณะเป็นจุด

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

อันตรกิริยาอย่างอ่อน 

ควาร์กที่มีเฟลเวอร์แบบหนึ่งสามารถเปลี่ยนรูปไปเป็นควาร์กของเฟลเวอร์อีกแบบหนึ่งได้ก็โดยผ่านอันตรกิริยาอย่างอ่อน ซึ่งเป็นอันตรกิริยาพื้นฐานชนิดหนึ่งในจำนวนสี่ชนิดของฟิสิกส์อนุภาค ทั้งนี้โดยการดูดซับหรือแผ่ W โบซอน ทำให้ควาร์กประเภทอัพ (อัพ ชาร์ม และทอปควาร์ก) สามารถเปลี่ยนไปเป็นควาร์กประเภทดาวน์ (ดาวน์ สเตรนจ์ และบอททอม) ได้ ในทางกลับกันก็เช่นเดียวกัน กลไกการเปลี่ยนรูปของเฟลเวอร์นี้ทำให้เกิดกระบวนการแผ่รังสีที่ทำให้เกิดการสลายให้อนุภาคบีตา ซึ่งนิวตรอน (n) 1 ตัวจะแบ่งตัวกลายเป็นโปรตอน (p) 1 ตัว อิเล็กตรอน (e-) 1 ตัว และอิเล็กตรอนปฏินิวตริโน (e) 1 ตัว (ดูภาพประกอบ) สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเมื่อดาวน์ควาร์กตัวหนึ่งในนิวตรอนอัพดาวน์ดาวน์ เสื่อมสลายลงเป็นอัพควาร์กโดยการแผ่อนุภาคเสมือนของ W- โบซอน เปลี่ยนให้นิวตรอนกลายไปเป็นโปรตอนอัพอัพดาวน์ จากนั้น W- โบซอน นี้จะเสื่อมสลายไปเป็นอิเล็กตรอน 1 ตัวกับอิเล็กตรอนปฏินิวตริโน 1 ตัว

การสลายให้อนุภาคบีตาทั้ง 2 แบบนี้ รวมถึงการกระบวนการย้อนกลับ มักมีการใช้อย่างสม่ำเสมอในทางการแพทย์ เช่น การตรวจเอกซ์เรย์ด้วยโพสิตรอน (PET) และในการทดลองฟิสิกส์พลังงานสูง เช่น การตรวจจับนิวตริโน นอกจากนี้ยังทำให้เกิดปฏิกริยา อ่ะกว่ากอะฮว๊อกอะแฮว็ก ดูดควาร์ก เอ่อะ อี้ซ้าบวนตุ๋ย ขว่อกอว๊อก

เอ้ยหีปวดหีปวด หีปวดหีปวดหีปวด หีหีปวดหีปวด หีหีหีหีหีหีเอ้ยหีกัดกันกัดกันสองอันสองอันกัดกัน!!!เอ้ยหี่ป๋วด!!!

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

 
โดยที่ Vij แทนแนวโน้มของควาร์กที่มีเฟลเวอร์ i ที่จะเปลี่ยนไปเป็นควาร์กแบบเฟลเวอร์ j (หรือในทางกลับกัน)

มีตารางเมทริกซ์อันตรกิริยาอย่างอ่อนที่เทียบเท่ากันนี้สำหรับเลปตอน (อยู่ทางขวาของ W โบซอน ในไดอะแกรมการสลายอนุภาคบีตาที่แสดงไว้ข้างบน) เรียกว่า Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata matrix (PMNS matrix) ทั้งเมทริกซ์ CKM และ PMNS ล้วนอธิบายถึงการเปลี่ยนรูปของเฟลเวอร์ แต่ความเชื่อมโยงระหว่างเมทริกซ์ทั้งสองนี้ยังไม่เป็นที่เข้าใจชัดเจน

หมายเหตุ

อ้างอิง

หนังสืออ่านเพิ่ม

แหล่งข้อมูลอื่น 

 1969 Physics Nobel Prize lecture by Murray Gell-Mann
 1976 Physics Nobel Prize lecture by Burton Richter
 1976 Physics Nobel Prize lecture by Samuel C.C. Ting
 2008 Physics Nobel Prize lecture by Makoto Kobayashi
 2008 Physics Nobel Prize lecture by Toshihide Maskawa
 The Top Quark And The Higgs Particle by T.A. Heppenheimer – A description of CERN's experiment to count the families of quarks.

ฟิสิกส์
หลักการสำคัญของฟิสิกส์
เคมี