ควาร์ก

แบบจำลองมาตรฐานเป็นกรอบการทำงานในทางทฤษฎีใช้เพื่ออธิบายถึงอนุภาคมูลฐานทั้งหมดที่รู้จักกันในปัจจุบัน ซึ่งรวมถึงอนุภาคที่ยังไม่อาจสังเกตพบ^{[nb 1]} คือ อนุภาคฮิกส์ ด้วย^[8] แบบจำลองนี้มีควาร์กทั้ง 6 สายพันธ์ (อังกฤษ: flavour) ชื่อว่า อัพ (u), ดาวน์ (d), ชาร์ม (c), สเตรนจ์ (s), ทอป (t), และบอตทอม (b)^[4] ปฏิยานุภาคของควาร์กเรียกว่า ปฏิควาร์ก แสดงด้วยสัญลักษณ์ขีดบนอยู่เหนือตัวอักษรของควาร์ก เช่น อัพปฏิควาร์ก มีสัญญลักษณ์ว่า u แสดงถึงปฏิควาร์กของอัพ ปฏิควาร์กมีลักษณะเหมือนกับปฏิสสารโดยทั่วไป คือมีมวลที่เท่ากัน ช่วงชีวิตเฉลี่ยเท่ากัน และมีสปินเหมือนกันกับควาร์กคู่ของมัน แต่มีประจุไฟฟ้ากับประจุอื่นๆ ในสัญลักษณ์ที่ตรงกันข้าม^[9]

ควาร์กเป็นอนุภาคที่มีสปิน spin-1/2 หมายความว่า มันเป็นเฟอร์มิออนตามทฤษฎีบทสปินเชิงสถิติ (spin-statistics theorem) มีลักษณะตามหลักการกีดกันของเพาลีซึ่งระบุว่า ไม่มีเฟอร์มิออนที่เหมือนกันสองตัวใดๆ จะสามารถมีสถานะควอนตัมเดียวกันได้ ซึ่งตรงกันข้ามกับโบซอน (อนุภาคที่มีสปินเป็นเลขจำนวนเต็ม) ที่สามารถมีหลายตัวอยู่ในสถานะเดียวกันได้^[10] ส่วนที่แตกต่างจากเลปตอน คือ ควาร์กมีประจุสี อันเป็นเหตุให้มันสามารถเข้าร่วมในอันตรกิริยาอย่างเข้มได้ ผลจากความดึงดูดระหว่างควาร์กที่แตกต่างกันสองตัว ทำให้เกิดการรวมตัวกันเป็นอนุภาคประกอบที่รู้จักกันในชื่อ แฮดรอน (ดูหัวข้อ "อันตรกิริยาอย่างเข้มกับประจุสี" ด้านล่าง)

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 (เมซอน) ก็มีค่าประจุเป็นจำนวนเต็มเสมอ^[11] ยกตัวอย่างเช่น ส่วนประกอบนิวเคลียสอะตอมของแฮดรอนประกอบด้วยนิวตรอนและโปรตอน มีประจุ 0 และ +1 ตามลำดับ โดยที่นิวตรอนประกอบด้วยดาวน์ควาร์ก 2 ตัวและอัพควาร์ก 1 ตัว ส่วนโปรตอนประกอบด้วยอัพควาร์ก 2 ตัวและดาว์นควาร์ก 1 ตัว^[12]

สปิน

สปิน คือคุณสมบัติภายในของอนุภาคพื้นฐาน ทิศทางของสปินเป็นองศาอิสระที่มีความสำคัญ ในบางครั้งอาจมองภาพเป็นการหมุนของวัตถุรอบแกนของมันเองก็ได้ (ซึ่งเป็นที่มาของคำว่า สปิน ที่หมายถึง การปั่น) แม้จะเป็นการชี้นำที่ผิดไปบ้างในระดับของอนุภาคย่อยของอะตอมเนื่องจากเชื่อกันว่าอนุภาคพื้นฐานนั้นมีลักษณะเป็นจุด^[13]

เราสามารถแสดงสปินได้ด้วยเวกเตอร์ซึ่งมีความยาววัดได้ในหน่วยของค่าคงที่ของพลังค์แบบย่อ ħ (อ่านว่า "เอชบาร์") สำหรับควาร์กนั้น การวัดองค์ประกอบเวกเตอร์ของสปินในแกนใดๆ จะได้ค่าออกมาเป็น +ħ/2 หรือ −ħ/2 อย่างใดอย่างหนึ่ง ด้วยเหตุนี้ ควาร์กจึงจัดว่าเป็นอนุภาค spin-1/2^[14] องค์ประกอบของสปินตามแกนที่กำหนด (เรียกว่าแกน z) มักย่อด้วยรูปลูกศรชี้ขึ้น ↑ สำหรับค่า +1/2 และลูกศรชี้ลง ↓ สำหรับค่า −1/2 โดยวางไว้ที่ด้านหลังสัญลักษณ์ของเฟลเวอร์ ตัวอย่างเช่น อัพควาร์กที่มีสปิน +1/2 ตามแกน z จะเขียนย่อว่า u↑.^[15]

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 (V_e) 1 ตัว (ดูภาพประกอบ) สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเมื่อดาวน์ควาร์กตัวหนึ่งในนิวตรอน_{อัพดาวน์ดาวน์} เสื่อมสลายลงเป็นอัพควาร์กโดยการแผ่อนุภาคเสมือนของ W^- โบซอน เปลี่ยนให้นิวตรอนกลายไปเป็นโปรตอน_{อัพอัพดาวน์} จากนั้น W^- โบซอน นี้จะเสื่อมสลายไปเป็นอิเล็กตรอน 1 ตัวกับอิเล็กตรอนปฏินิวตริโน 1 ตัว^[16]

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^[17]

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

โดยที่ V_ij แทนแนวโน้มของควาร์กที่มีเฟลเวอร์ i ที่จะเปลี่ยนไปเป็นควาร์กแบบเฟลเวอร์ j (หรือในทางกลับกัน)^{[nb 2]}

มีตารางเมทริกซ์อันตรกิริยาอย่างอ่อนที่เทียบเท่ากันนี้สำหรับเลปตอน (อยู่ทางขวาของ W โบซอน ในไดอะแกรมการสลายอนุภาคบีตาที่แสดงไว้ข้างบน) เรียกว่า Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata matrix (PMNS matrix)^[18] ทั้งเมทริกซ์ CKM และ PMNS ล้วนอธิบายถึงการเปลี่ยนรูปของเฟลเวอร์ แต่ความเชื่อมโยงระหว่างเมทริกซ์ทั้งสองนี้ยังไม่เป็นที่เข้าใจชัดเจน^[19]

• 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.

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับ ควาร์ก

• 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.