ควาร์ก

ควาร์ก (อังกฤษ: quark อ่านว่า /kwɔrk/ หรือ /kwɑrk/) คืออนุภาคมูลฐานและเป็นส่วนประกอบพื้นฐานของสสาร ควาร์กมากกว่าหนึ่งตัวเมื่อรวมตัวกันจะเป็นอีกอนุภาคหนึ่งที่เรียกว่าแฮดรอน (อังกฤษ: hadron) ส่วนที่เสถียรที่สุดของแฮดรอนสองลำดับแรกคือโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งทั้งคู่เป็นส่วนประกอบสำคัญของนิวเคลียสของอะตอม^[1] เนื่องจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Color Confinement ควาร์กจึงไม่สามารถสังเกตได้โดยตรงหรือพบตามลำพังได้ มันสามารถพบได้ภายในแฮดรอนเท่านั้น เช่น แบริออน (ซึ่งโปรตอนและนิวตรอนเป็นตัวอย่าง) และภายใน เมซอน^[2][3] (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
สัญลักษณ์	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 สายพันธุ์ หรือ flavour ได้แก่ อัพ (up), ดาวน์ (down), ชาร์ม (charm), สเตรนจ์ (strange), ท็อป (top), และ บอตทอม (bottom)^[4] 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^[5] ซึ่งเสนอว่าควาร์กเป็นส่วนหนึ่งของรูปแบบของแฮดรอน มีหลักฐานที่แสดงถึงการมีอยู่จริงของพวกมันเพียงเล็กน้อยเท่านั้น จนกระทั่งมีการทดลองการกระจายแบบไม่ยืดหยุ่นแต่ลึก (อังกฤษ: Deep inelastic scattering) ที่ห้องทดลองการเร่งอนุภาคแห่งชาติ SLAC (SLAC National Accelerator Laboratory) ในปี ค.ศ. 1968^[6][7] เริ่มมีการสังเกตเฟลเวอร์ทั้งหกของควาร์กจากการทดลองเร่งอนุภาคในครั้งนั้น ควาร์กแบบทอป ซึ่งสังเกตพบครั้งแรกที่ เฟอร์มิแล็บ ในปี ค.ศ. 1995 นับเป็นเฟลเวอร์ที่ถูกค้นพบเป็นลำดับสุดท้าย^[5]

การจัดประเภท

ดูเพิ่ม: แบบจำลองมาตรฐาน

อนุภาค 6 ชนิดในแบบจำลองมาตรฐานเป็นควาร์ก (แสดงด้วยสีม่วง) สามคอลัมน์แรกของตารางเรียกว่าเป็น รุ่นตระกูล ของสสาร

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 มีสัญลักษณ์ว่า u แสดงถึงปฏิควาร์กของอัพ ปฏิควาร์กมีลักษณะเหมือนกับปฏิสสารโดยทั่วไป คือมีมวลที่เท่ากัน ช่วงชีวิตเฉลี่ยเท่ากัน และมีสปินเหมือนกันกับควาร์กคู่ของมัน แต่มีประจุไฟฟ้ากับประจุอื่น ๆ ในสัญลักษณ์ที่ตรงกันข้าม^[9]

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

คุณสมบัติ

ประจุไฟฟ้า

ดูเพิ่ม: 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

ดูเพิ่ม: สปิน (ฟิสิกส์)

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

เราสามารถแสดงสปินได้ด้วยเวกเตอร์ซึ่งมีความยาววัดได้ในหน่วยของค่าคงที่ของพลังค์แบบย่อ ħ (อ่านว่า "เอชบาร์") สำหรับควาร์กนั้น การวัดองค์ประกอบเวกเตอร์ของสปินในแกนใด ๆ 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

บทความหลัก: อันตรกิริยาอย่างอ่อน

ไดอะแกรมของเฟย์นแมนของการสลายให้อนุภาคบีตาโดยที่แกนเวลาชี้ขึ้นด้านบน ซึ่ง CKM matrix (ดูคำอธิบายข้างล่าง) เป็นตัวเข้ารหัสความน่าจะเป็นของเหตุการณ์นี้ รวมถึงการสลายตัวของควาร์กแบบอื่น ๆ

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]

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

ขณะที่กระบวนการเปลี่ยนรูปเฟลเวอร์นี้เกิดขึ้นเหมือน ๆ 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]

หมายเหตุ

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