ควาร์ก

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

ควาร์ก

โปรตอน ซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานของอะตอม ประกอบไปด้วยอัพควาร์กสองตัว (สีน้ำเงินและแดง) กับดาวน์ควาร์กอีกหนึ่งตัว (สีเขียว) และ กลูออน รูปสปริงที่เป็นคนกลางเพื่อไกล่เกลี่ยแรงที่ "ยึดเหนี่ยว" พวกมันเข้าด้วยกัน การกำหนดสีของแต่ละควาร์กเป็นอย่างไรก็ได้ แต่ทั้งสามสีต้องปรากฏ
ส่วนประกอบ	อนุภาคมูลฐาน
สถิติ (อนุภาค)	Fermionic
ชั่วรุ่น	ที่หนึ่ง, ที่สอง, ที่สาม
อันตรกิริยาพื้นฐาน	แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, แรงโน้มถ่วง, แรงเข้ม, แรงอ่อน
สัญญลักษณ์	q
ปฏิยานุภาค	ปฏิควาร์ก (q)
ทฤษฎีโดย	Murray Gell-Mann (1964) George Zweig (1964)
ค้นพบโดย	SLAC (~1968)
จำนวนชนิด	6 (up, down, strange, charm, bottom, and top)
ประจุไฟฟ้า	+2/3 e, −1/3 e
ประจุสี	Yes
สปิน	1/2
เลขแบริออน	1/3

ควาร์กมีอยู่ 6 ชนิด เรียกว่า 6 สายพันธ์ หรือ flavour ได้แก่ อัพ (up), ดาวน์ (down), ชาร์ม (charm), สเตรนจ์ (strange), ท็อป (top), และ บอตทอม (bottom) อัพควาร์กและดาวน์ควาร์กเป็นแบบที่มีมวลต่ำที่สุดในบรรดาควาร์กทั้งหมด ควาร์กที่หนักกว่าจะเปลี่ยนแปลงมาเป็นควาร์กแบบอัพและดาวน์อย่างรวดเร็วโดยผ่านกระบวนการการเสื่อมสลายของอนุภาค (อังกฤษ: particle decay) 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 (อังกฤษ: Deep inelastic scattering) ที่ห้องทดลองการเร่งอนุภาคแห่งชาติ SLAC (SLAC National Accelerator Laboratory) ในปี ค.ศ. 1968 เริ่มมีการสังเกตเฟลเวอร์ทั้งหกของควาร์กจากการทดลองเร่งอนุภาคในครั้งนั้น ควาร์กแบบทอป ซึ่งสังเกตพบครั้งแรกที่ เฟอร์มิแล็บ ในปี ค.ศ. 1995 นับเป็นเฟลเวอร์ที่ถูกค้นพบเป็นลำดับสุดท้าย

การจัดประเภท

ดูเพิ่มเติมที่: แบบจำลองมาตรฐาน

 

อนุภาค 6 ชนิดในแบบจำลองมาตรฐานเป็นควาร์ก (แสดงด้วยสีม่วง) สามคอลัมน์แรกของตารางเรียกว่าเป็น รุ่นตระกูล ของสสาร

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

ควาร์กเป็นอนุภาคที่มีสปิน spin-1/2 หมายความว่า มันเป็นเฟอร์มิออนตามทฤษฎีบทสปินเชิงสถิติ (spin-statistics theorem) มีลักษณะตามหลักการกีดกันของเพาลีซึ่งระบุว่า ไม่มีเฟอร์มิออนที่เหมือนกันสองตัวใดๆ จะสามารถมีสถานะควอนตัมเดียวกันได้ ซึ่งตรงกันข้ามกับโบซอน (อนุภาคที่มีสปินเป็นเลขจำนวนเต็ม) ที่สามารถมีหลายตัวอยู่ในสถานะเดียวกันได้ ส่วนที่แตกต่างจากเลปตอน คือ ควาร์กมีประจุสี อันเป็นเหตุให้มันสามารถเข้าร่วมในอันตรกิริยาอย่างเข้มได้ ผลจากความดึงดูดระหว่างควาร์กที่แตกต่างกันสองตัว ทำให้เกิดการรวมตัวกันเป็นอนุภาคประกอบที่รู้จักกันในชื่อ แฮดรอน (ดูหัวข้อ "อันตรกิริยาอย่างเข้มกับประจุสี" ด้านล่าง)

คุณสมบัติ

ประจุไฟฟ้า

ดูเพิ่มเติมที่: ประจุไฟฟ้า

ควาร์กมีค่าประจุไฟฟ้าเป็นเศษส่วน คือ −1/3 or +2/3 ของขนาดประจุมูลฐานขึ้นกับว่าเป็นเฟลเวอร์อะไร ถ้าเป็นควาร์กแบบอัพ ชาร์ม และท็อป (รวมๆ กันมักเรียกว่า "ควาร์กประเภทอัพ") จะมีประจุ +2/3 ขณะที่ควาร์กแบบดาวน์ สเตรนจ์ และบ็อททอม ("ควาร์กประเภทดาวน์") จะมีประจุ −1/3 ปฏิควาร์กจะมีประจุตรงกันข้ามกับควาร์กที่เป็นคู่ของมัน คือ ปฏิควาร์กประเภทอัพมีประจุ −2/3 และปฏิควาร์กประเภทดาวน์มีประจุ +1/3 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

ดูเพิ่มเติมที่: สปิน (ฟิสิกส์)

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-1/2 องค์ประกอบของสปินตามแกนที่กำหนด (เรียกว่าแกน z) มักย่อด้วยรูปลูกศรชี้ขึ้น ↑ สำหรับค่า +1/2 และลูกศรชี้ลง ↓ สำหรับค่า −1/2 โดยวางไว้ที่ด้านหลังสัญลักษณ์ของเฟลเวอร์ ตัวอย่างเช่น อัพควาร์กที่มีสปิน +1/2 ตามแกน z จะเขียนย่อว่า u↑.

อันตรกิริยาอย่างอ่อน

ดูบทความหลักที่: อันตรกิริยาอย่างอ่อน

 

ไดอะแกรมของเฟย์นแมนของการสลายให้อนุภาคบีตาโดยที่แกนเวลาชี้ขึ้นด้านบน ซึ่ง CKM matrix (ดูคำอธิบายข้างล่าง) เป็นตัวเข้ารหัสความน่าจะเป็นของเหตุการณ์นี้ รวมถึงการสลายตัวของควาร์กแบบอื่นๆ

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 (V_e) 1 ตัว (ดูภาพประกอบ) สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเมื่อดาวน์ควาร์กตัวหนึ่งในนิวตรอน_{อัพดาวน์ดาวน์} เสื่อมสลายลงเป็นอัพควาร์กโดยการแผ่อนุภาคเสมือนของ W^- โบซอน เปลี่ยนให้นิวตรอนกลายไปเป็นโปรตอน_{อัพอัพดาวน์} จากนั้น W^- โบซอน นี้จะเสื่อมสลายไปเป็นอิเล็กตรอน 1 ตัวกับอิเล็กตรอนปฏินิวตริโน 1 ตัว

n	→	p	+	e^-	+	Ve	(การสลายให้อนุภาคบึตา, สัญลักษณ์ที่ใช้แทนความหมายของแฮดรอน)
udd	→	uud	+	e^-	+	Ve	(การสลายให้อนุภาคบึตา, สัญลักษณ์ที่ใช้แทนความหมายของควาร์ก)

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

 

ภาพแสดงแรงของอันตรกิริยาอย่างอ่อนระหว่างควาร์กทั้งหก "ความเข้ม" ของเส้นถูกนิยามขึ้นโดยองค์ประกอบของ CKM matrix

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

${\displaystyle {\begin{bmatrix}|V_{\mathrm {ud} }|&|V_{\mathrm {us} }|&|V_{\mathrm {ub} }|\\|V_{\mathrm {cd} }|&|V_{\mathrm {cs} }|&|V_{\mathrm {cb} }|\\|V_{\mathrm {td} }|&|V_{\mathrm {ts} }|&|V_{\mathrm {tb} }|\end{bmatrix}}\approx {\begin{bmatrix}0.974&0.225&0.003\\0.225&0.973&0.041\\0.009&0.040&0.999\end{bmatrix}},}$ 

โดยที่ V_ij 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

1. นับถึงเดือนสิงหาคม ค.ศ. 2010
2. ความน่าจะเป็นที่แท้จริงของการสลายอนุภาคของควาร์กตัวหนึ่งไปเป็นอีกตัวหนึ่งนั้นเป็นฟังก์ชันที่ซับซ้อนของมวลของควาร์กที่กำลังสลายตัว มวลของผลผลิตจากการเสื่อมสลาย อนุภาคที่เกี่ยวเนื่องกันใน CKM matrix กับตัวแปรอื่นๆ อีกหลายตัว ความน่าจะเป็นนี้เป็นสัดส่วนที่แปรผันโดยตรง (แต่ไม่เท่ากัน) กับขนาดกำลังสอง (|V_ij|²) ของจำนวนใน CKM ที่สัมพันธ์กัน

อ้างอิง

1. "Quark (subatomic particle)". Encyclopædia Britannica. Retrieved 2008-06-29.
2. R. Nave. "Confinement of Quarks". HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. Retrieved 2008-06-29.
3. R. Nave. "Bag Model of Quark Confinement". HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. Retrieved 2008-06-29
4. R. Nave. "Quarks". HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. สืบค้นเมื่อ 2008-06-29.
5. B. Carithers, P. Grannis (1995). "Discovery of the Top Quark" (PDF). Beam Line. SLAC. 25 (3): 4–16. สืบค้นเมื่อ 2008-09-23.
6. E.D. Bloom; และคณะ (1969). "High-Energy Inelastic e–p Scattering at 6° and 10°". Physical Review Letters. 23 (16): 930–934. doi:10.1103/PhysRevLett.23.930. Explicit use of et al. in: |author= (help)
7. M. Breidenbach; และคณะ (1969). "Observed Behavior of Highly Inelastic Electron–Proton Scattering". Physical Review Letters. 23 (16): 935–939. doi:10.1103/PhysRevLett.23.935. Explicit use of et al. in: |author= (help)
8. C. Amsler et al. (Particle Data Group) (2008). "Higgs Bosons: Theory and Searches" (PDF). Physics Letters B. 667 (1): 1–1340. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018.
9. S.S.M. Wong (1998). Introductory Nuclear Physics (2nd ed.). Wiley Interscience. p. 30. ISBN 0-471-23973-9.
10. K.A. Peacock (2008). The Quantum Revolution. Greenwood Publishing Group. p. 125. ISBN 031333448X.
11. G. Fraser (2006). The New Physics for the Twenty-First Century. Cambridge University Press. p. 91. ISBN 0521816009.
12. อ้างอิงผิดพลาด: ป้ายระบุ <ref> ไม่ถูกต้อง ไม่มีการกำหนดข้อความสำหรับอ้างอิงชื่อ Knowing
13. "The Standard Model of Particle Physics". BBC. 2002. สืบค้นเมื่อ 2009-04-19.
14. F. Close (2006). The New Cosmic Onion. CRC Press. pp. 80–90. ISBN 1584887982.
15. D. Lincoln (2004). Understanding the Universe. World Scientific. p. 116. ISBN 9812387056.
16. "Weak Interactions". Virtual Visitor Center. Stanford Linear Accelerator Center. 2008. สืบค้นเมื่อ 2008-09-28.
17. K. Nakamura; และคณะ (2010). "Review of Particles Physics: The CKM Quark-Mixing Matrix" (PDF). J. Phys. G. 37 (075021): 150. Explicit use of et al. in: |author= (help)
18. Z. Maki, M. Nakagawa, S. Sakata (1962). "Remarks on the Unified Model of Elementary Particles". Progress of Theoretical Physics. 28 (5): 870. Bibcode:1962PThPh..28..870M. doi:10.1143/PTP.28.870.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
19. B.C. Chauhan, M. Picariello, J. Pulido, E. Torrente-Lujan (2007). "Quark–lepton complementarity, neutrino and standard model data predict θ^PMNS
    ₁₃ = 9+1
    −2 °". European Physical Journal. C50 (3): 573–578. arXiv:hep-ph/0605032. Bibcode:2007EPJC...50..573C. doi:10.1140/epjc/s10052-007-0212-z.CS1 maint: multiple names: authors list (link)

หนังสืออ่านเพิ่ม

• D.J. Griffiths (2008). Introduction to Elementary Particles (2nd ed.). Wiley–VCH. ISBN 3527406018.
• I.S. Hughes (1985). Elementary particles (2nd ed.). Cambridge University Press. ISBN 0-521-26092-2.
• R. Oerter (2005). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Pi Press. ISBN 0132366789.
• A. Pickering (1984). Constructing Quarks: A Sociological History of Particle Physics. The University of Chicago Press. ISBN 0-226-66799-5.
• B. Povh (1995). Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts. Springer–Verlag. ISBN 0-387-59439-6.
• M. Riordan (1987). The Hunting of the Quark: A true story of modern physics. Simon & Schuster. ISBN 0-671-64884-5.
• B.A. Schumm (2004). Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics. Johns Hopkins University Press. ISBN 0-8018-7971-X.

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.