ควาร์ก

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

ควาร์กมีอยู่ 6 ชนิด เรียกว่า 6 สายพันธ์ 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

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)

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 (มีซอน) ก็มีค่าประจุเป็นจำนวนเต็มเสมอ ยกตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบนิวเคลียสอะตอมของแฮดรอนประกอบด้วยนิวตรอนและโปรตอน มีประจุ 0 และ +1 ตามลำดับ โดยที่นิวตรอนประกอบด้วยดาวน์ควาร์ก 2 ตัวและอัพควาร์ก 1 ตัว ส่วนโปรตอนประกอบด้วยอัพควาร์ก 2 ตัวและดาว์นควาร์ก 1 ตัว

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↑.

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 () 1 ตัว (ดูภาพประกอบ) สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเมื่อดาวน์ควาร์กตัวหนึ่งในนิวตรอน เสื่อมสลายลงเป็นอัพควาร์กโดยการแผ่อนุภาคเสมือนของ W โบซอน เปลี่ยนให้นิวตรอนกลายไปเป็นโปรตอน จากนั้น W โบซอน นี้จะเสื่อมสลายไปเป็นอิเล็กตรอน 1 ตัวกับอิเล็กตรอนปฏินิวตริโน 1 ตัว

การสลายให้อนุภาคบีตาทั้ง 2 แบบนี้ รวมถึงการกระบวนการย้อนกลับ มักมีการใช้อย่างสม่ำเสมอในทางการแพทย์ เช่น การตรวจเอกซ์เรย์ด้วยโพสิตรอน (PET) และในการทดลองฟิสิกส์พลังงานสูง เช่น การตรวจจับนิวตริโน

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

โดยที่ "V" แทนแนวโน้มของควาร์กที่มีเฟลเวอร์ "i" ที่จะเปลี่ยนไปเป็นควาร์กแบบเฟลเวอร์ "j" (หรือในทางกลับกัน)

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