อนุภาคมูลฐาน

ปัจจุบันเชื่อว่า ทั้งคว้ากและเลปตอน แบ่งออกเป็น 6 ชนิด แต่ละชนิด ยังมีปฏิอนุภาค (antiparticle) ซึ่งเป็นอนุภาคแบบเดียวกัน มีมวลเท่ากัน แต่มีประจุไฟฟ้า และโมเมนต์แม่เหล็กตรงข้ามกัน

ปัจจุบันยังไม่พบคว้ากที่เป็นอิสระ แต่จะพบรวมกันเป็น 2 หรือ 3 อนุภาค กับ quark หรือ antiquark อื่น เป็นอนุภาคที่เรียกว่า hadrons ซึ่งพบแล้วมากกว่า 200 ชนิด มี 2 ทฤษฎี ที่ทำนายถึงการมีอนุภาคที่มี 5 quark เรียกว่า pentaquark ซึ่งสามารถผลิตขึ้นได้แล้ว ในห้องปฏิบัติการ ส่วนอนุภาคที่ประกอบด้วย 4 และ 6 quark มีทฤษฎีที่ทำนายไว้เช่นกัน แต่ยังไม่มีการตรวจพบ

lepton ที่รู้จักกันมากที่สุด คือ อิเล็กตรอน ส่วนอีก 5 ชนิด ได้แก่ muon, อนุภาค tau, และนิวตริโน (neutrino) อีก 3 ชนิด คือ electron neutrino, muon neutrino และ tau neutrino

quark 6 ชนิด มีการตั้งชื่อกันไว้แปลกๆ คือ up, down, charm, strange, top (truth), และ bottom (beauty)

top quark เป็นอนุภาคที่มีมวลมากกว่าอะตอมของทอง และมีน้ำหนัก มากกว่าอนุภาคตัวถัดมาประมาณ 35 เท่า ซึ่งอาจเป็นอนุภาคที่หนักที่สุด ที่มีในธรรมชาติ quark ที่พบในวัตถุทั่วๆ ไป คือ quark นิด up และ down ซึ่งเป็นองค์ประกอบของโปรตอนกับนิวตรอน โดยโปรตอนประกอบด้วย 2 up quark กับ 1 down quark ส่วนนิวตรอนประกอบด้วย 1 up quark กับ 2 down quark pentaquark ประกอบด้วย 2 up quark 2 down quark กับ 1 strange quark (quark มีประจุเป็น 1/3 หรือ 2/3 ของประจุมูลฐานของอิเล็กตรอน หรือโปรตอน)

แรงบางอย่างเกิดจากการกระทำต่อกันของอนุภาคทุกชนิด ขณะที่แรงบางอย่างจะเกิดกับอนุภาคบางชนิด เช่น แรงโน้มถ่วง (gravitational force) เป็นแรงกระทำที่เกิดกับอนุภาคทุกชนิด แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic force) จะกระทำเฉพาะกับอนุภาคที่มีประจุ เช่น อิเล็กตรอน และ muon ส่วน strong force จะเกิดขึ้นภายในโครงสร้างของนิวเคลียส และเกิดเฉพาะกับอนุภาคที่ประกอบด้วย quark อนุภาคชนิดอื่น เช่น อิเล็กตรอน muon และ neutrino 3 ชนิด จะไม่เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบแรง (strong nuclear interaction) แต่จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบอ่อน (weak nuclear interaction) ในกระบวนการสลายตัว ที่ให้อนุภาคออกมา (particle decay)

แรงแต่ละชนิดจะมีตัวกลางในการส่งผ่านแรง เป็นอนุภาคมูลฐาน โดยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า มี โฟตอน (photon) เป็นตัวกลาง ซึ่งเป็นควอนตัมพื้นฐาน ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า strong force มี gluon เป็นตัวกลาง weak force มีอนุภาค W และอนุภาค Z เป็นตัวกลาง และคาดกันว่า แรงโน้มถ่วงมี graviton เป็นตัวกลาง ทฤษฎีสนามควอนตัม (quantum field theory) ที่ใช้อธิบายแรงแม่เหล็กไฟฟ้า เรียกว่า quantum electrodynamics และทฤษฎีที่ใช้อธิบาย แรงนิวเคลียร์ชนิดแรง เรียกว่า quantum chromodynamics

ในปี 1979 Sheldon Glashow, Steven Weinberg และ Abdus Salam ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ในผลงานที่แสดงให้เห็นว่า electromagnetic force กับ weak force นั้น ความจริงแสดงออกมาเป็นแรงเดียว เรียกว่า electroweak force ขณะนี้ กำลังมีความพยายามที่จะหาทฤษฎี ที่จะอธิบายการรวมแรงทั้งหมดเป็นแรงเดียว ซึ่งเรียกว่า unified theory

อนุภาคที่ใช้ส่งผ่านแรง เรียกว่า gauge boson ซึ่งโดยพื้นฐานแล้ว แตกต่างจาก quark และ lepton ในวัตถุปกติ แรงมูลฐานจะแสดงแรงกระทำด้วยลักษณะที่ต่างกัน แต่ Standard Model แสดงให้เห็นว่า ทั้งหมดมีพื้นฐานที่คล้ายกันในสภาวะที่พลังงานสูง

แม้ว่า Standard Model จะสามารถอธิบายแรงกระทำระหว่าง quark lepton และ boson แต่ทฤษฎีนี้ไม่ได้อธิบายรวมไปถึง คุณสมบัติที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งของอนุภาค คือ มวล อนุภาคที่เบาที่สุด คือ อิเล็กตรอน และอนุภาคที่หนักที่สุด ซึ่งเชื่อว่าเป็น top quark มีมวลอย่างน้อย 200,000 เท่าของอิเล็กตรอน ในปี 1964 Peter W. Higgs นักฟิสิกส์ชาวสกอตต์ จากมหาวิทยาลัย Edinburg ได้เสนอกลไกในการอธิบายว่า อนุภาคมูลฐานมีมวลได้อย่างไร ทฤษฎี Higgs กล่าวว่า ทั่วทุกพื้นที่ปกคลุมด้วยสนาม ซึ่งปัจจุบันเรียกว่า สนามฮิกก์ (Higgs field) คล้ายกับกรณีของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic field) เมื่ออนุภาคมีการเคลื่อนที่ จะเคลื่อนผ่านสนามนี้ และเกิดปฏิกิริยากับสนาม ทำให้ปรากฏเป็นมวลออกมา พื้นฐานของทฤษฎีควอนตัม (quantum theory) คือสภาวะคู่ของ คลื่น-อนุภาค (wave-particle duality) ทุกสนามจะมีส่วนที่เป็นอนุภาคด้วย อนุภาคของ Higgs filed คือ Higgs boson เป็นอนุภาคที่ไม่มีสปิน หรือประจุไฟฟ้า แม้ว่าจะเรียก boson แต่ไม่ได้เป็นตัวกลางของแรงอย่างเช่น boson ชนิดอื่น ขณะนี้ ยังไม่มีการตรวจพบ Higgs boson การค้นพบ Higgs boson จึจะเป็นการยืนยันถึง Higgs field และสมมติฐานของ Higg เรื่องมวลนั้นถูกต้อง และทำให้ Standard Model ยังคงใช้อยู่ได้

มีการแบ่งประเภทของอนุภาค โดยใช้ลักษณะของการเกิดปฏิกิริยาต่อกัน เช่น อนุภาคที่เกิปฏิกิริยาต่อกันสูง ได้แก่ meson หรือ baryon ปัจจุบันทราบกันว่า meson ประกอบด้วย คู่ของ quark กับ antiquark ส่วน baryon ประกอบด้วย 3 quark อนุภาคที่จัดเป็น meson ส่วนใหญ่มีมวลมากกว่า lepton แต่มีมวลน้อยกว่า proton กับ neutron ยกเว้นบางชนิดที่อาจมีมวลมากกว่า อนุภาคที่จัดเป็น baryon ที่มีมวลน้อยที่สุด คือ proton กับ neutron อนุภาค baryon ที่มีมวลมากกว่า คือ hyperon

ในการแบ่งประเภทเป็น meson กับ baryon ยังมีอนุภาคบางชนิด ที่ไม่สามารถตรวจวัดได้โดยตรง เนื่องจากมีอายุสั้นมาก ไม่ทิ้งรอยไว้ใน cloud chamber หรือ bubble chamber อนุภาคเหล่านี้ เรียกว่า resonance หรือ resonance states เนื่องจากมีการเกิดขึ้นแบบเดียวกับการ resonance ของ วงจรไฟฟ้า

มีการนำคำศัพท์ใหม่ๆ มาใช้ในการอธิบายคุณสมบัติของอนุภาค ตัวอย่างเช่น การสลายตัวอย่างๆ ของ kaon, lambda hyperon และอนุภาคอื่นๆ อีกบางชนิด ทำให้นักฟิสิกส์สรุปว่า กฎการอนุรักษ์บางกฎ ทำให้อนุภาคไม่สลายตัวในทันที ในแบบ strong interaction แต่มีการสลายตัวแบบ weak interaction ปริมาณชนิดใหม่นี้ เรียกว่า strangeness ซึ่งมีการอนุรักษ์ทั้ง strong interaction และ electromagnetic interaction แต่ไม่อนุรักษ์ใน weak interaction ดังนั้น การสลายตัวของอนุภาค strange ไปเป็นอนุภาค nonstrange เช่น lambda ไปเป็น proton กับ pion จะมีการเกิดเฉพาะ weak interaction อย่างช้าๆ โดยไม่เกิด strong interaction

ปริมาณอีกชนิดหนึ่ง ที่ใช้อะบายลักษณะของอนุภาคที่มีการเกิดเป็นกลุ่ม เรียกว่า multiplet โดยเป็นอนุภาคที่มีมวลเท่ากัน แต่มีประจุต่างกัน ตัวอย่าง multiplet ได้แก่ โปรตอน กับนิวตรอน
ปริมาณใหม่อีกชนิดหนึ่ง ที่ใช้อธิบายผลการเปลี่ยน จากโปรตอนไปเป็นนิวตรอน หรือนิวตรอนไปเป็นโปรตอน ในทางคณิตศาสตร์ เรียกว่า isotopic spin การใช้ชื่อนี้ เนื่องจาก ผลรวมของจำนวนโปรตอนกับนิวตรอน ในนิวเคลียส แสดงถึงชนิดของไอโซโทปของอะตอม และคณิตศาสตร์ที่ใช้อธิบายค่าของ ordinary spin (intrinsic angular momentum ของอนุภาคมูลฐาน) มีค่าเดียวกัน ความจริง isotopic spin ไม่มีผลกับ spin แต่แสดง vector ที่มีการหมุนใน imaginary space ซึ่ง isotopic spin นี้จะอนุรักษ์เฉพาะใน strong interaction
กฎการอนุรักษ์ มีความสัมพันธ์กับหลักการสมมาตร 3 ชนิด (three symmetry principles) ซึ่งใช้กับสภาวะที่มีการเปลี่ยนแปลง ของปริมาณของตัวแปรที่ต้องสมมาตรกัน ได้แก่
charge conjunction (C) คือมีค่าที่เท่ากัน เมื่อมีการเปลี่ยนจาก particle กับ antiparticle
parity (P) ซึ่งเป็น mirror image symmetry เมื่อมีการเปลี่ยนในลักษณะของซ้ายกับขวา
time-reversal (T) ซึ่ง order จะคนละด้านเมื่อเกิดเหตุการณ์ขึ้น

ตามหลักการสมมาตรนี้ เมื่อมีตัวแปรใดของอนุภาคมีการเปลี่ยนแปลง จะทำให้เกิดปฏิกิริยาที่สองขึ้นด้วย แต่ในปี 1956 มีการทดลองที่พบว่า weak interaction ไม่อนุรักษ์ parity ตัวอย่างเช่น มีการสลายตัวของอนุภาคแล้วไม่ได้เกิดคู่ของ mirror image แม้ว่าจะมีบางกรณีที่ไม่อนุรักษ์ตามกฎนี้ แต่เมื่อรวมทุกตัวแปรแล้ว กฎนี้ก็ยังใช้ได้อยู่ โดยรู้จักกฎการอนุรักษ์นี้กันในชื่อ CPT theorem

ในปี 1928 P. A. M. Dirac ได้เสนอทฤษฎี relativistic quantum theory โดยตั้งสมมติฐานว่า มีอิเล็กตรอนประจุบวก หรือ positron ซึ่งเป็น antiparticle ของอิเล็กตรอน และได้มีการค้นพบเป็นครั้งแรกในปี 1932 และในการพยายามอธิบายการสลายตัวของรังสีบีตา ทำให้ทำนายถึงการมีอนุภาคนิวตริโน (neutrino) ในปี 1930และมีทฤษฎียืนยันเรื่องนิวตริโน ในปี 1934 แต่ก็ยังไม่ตรวจไม่พบจนกระทั่งปี 1956 ได้มีการเสนอการมีอนุภาคชนิดอื่นเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ โดย ไอน์สไตน์ (Einstein) ได้เสนอเรื่องอนุภาคโฟตอน (photon) เป็นครั้งแรกในปี 1905 โดยเป็นส่วนหนึ่งของทฤษฎีควอนตัมของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก (quantum theory of the photoelectric effect)

อนุภาคชนิดต่อมา ถูกค้นพบเมื่อมีความพยายามที่จะอธิบายเรื่อง strong interaction หรือแรงนิวเคลียร์แบบแรง (strong nuclear force) ที่ยึดเหนี่ยวโปรตอนกับนิวตรอนไว้ด้วยกันในนิวเคลียสของอะตอม ในปี 1935 Hideki Yukawa เสนอว่ามีอนุภาค meson ซึ่งเป็นอนุภาคมีประจุ ที่มีมวลระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตอน แลกเปลี่ยนกันระหว่างนิวคลีออน (nucleon) โดย meson ที่ให้อออกมาจากนิวคลีออนหนึ่ง จะถูกดูดกลืนโดยอีกนิวคลีออนหนึ่ง ทำให้เกิด strong force ระหว่างนิวคลีออน คล้ายกับแรงที่เกิดจากจากการแลกเปลี่ยนโฟตอน ระหว่างอนุภาคมีประจุ ทำให้เกิดแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (ปัจจุบันตัวลางขง strong force เรียกว่า gluon) ในปีต่อมาอนุภาคที่มีมวลขนาดกลางนี้จึงถูกค้นพบ โดยมีมวลประมาณ 200 เท่าของอิเล็กตรอน และได้ตั้งชื่อว่า mu meson หรือ muon แต่อนุภาคนี้ไม่ได้เป็นไปตามทฤษฎีของอนุภาค จนปี 1947 อนุภาคที่ Yukawa ทำนายไว้จึงถูกค้นพบ โดยตั้งชื่อว่า pi meson หรือ pion

ทั้ง muon และ pion ตรวจพบได้ครั้งแรกจากรังสีคอสมิก และเมื่อมีการศึกษามากขึ้น ก็พบว่ารังสีคอสมิก ยังมีอนุภาคอีกหลายชนิด ในปี 1950 มีการตรวจพบอนุภาคเหล่านี้ ในห้อปฏิบัติการจากการทำให้อนุภาคที่มีพลังงานสูงชนกัน โดยใช้เครื่องเร่งอนุภาค

ขีดจำกัดอันหนึ่งในการศึกษาอนุภาคมูลฐาน คือ การเชื่อมต่อระหว่างข้อกำหนดต่างๆของอนุภาคเข้ากับจักรวาลวิทยา (cosmology) ตัวอย่างเช่น quark กับ lepton ซึ่งเป็นอนภาคที่อยู่ในกลุ่ม three family โดยแต่ละ family ประกอบด้วย 2 quark กับ 2 lepton คาดกันว่าน่าจะมีการค้นพบอนุภาคมูลฐาน family อื่นเพิ่มขึ้นอีก แต่ในการศึกษาทางจักรวาลวิทยาที่ผ่านมา มีความเห็นกันว่าจะมีอนุภาคได้ไม่เกิน 4 family และในทฤษฎีจักรวาลวิทยา (cosmological theory) ซึ่งได้รับการยืนยันจากผลการทดลองจากห้องปฏิบัติการของเครื่องเร่งอนุภาคสแตนฟอร์ด (Stanford Linear Accelerator) และห้องปฏิบัติการ CERN ในสวิสเซอร์แลนด์ ชี้ให้เห็นว่า ไม่มีอนุภาคมูลฐานเกินกว่าที่มีการพบกันมาแล้วขณะนี้ 3 family