เครื่องเร่งอนุภาค (4)

เครื่องเร่งอนุภาค (4)

อนุภาคภายในอะตอม (Subatomic Particles)

ด้วยเทคโนโลยีทั้งหมดนี้ เราสามารถใช้ศึกษาอะไร ในโครงสร้างของวัตถุ เมื่อนักฟิสิกส์เริ่มใช้เครื่องเร่งอนุภาคในช่วงปี 1950 และ 1960 นั้น ได้มีการค้นพบอนุภาคอีกหลายร้อยชนิด ที่เล็กกว่า โปรตอน (proton)  นิวตรอน (neutron) และอิเล็กตรอน (electron) ที่รู้จักกันดีแล้ว เมื่อมีการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคที่มีขนาดใหญ่มากขึ้น ทำให้สามารถเร่งให้ลำอนุภาคมีพลังงานสูงขึ้น ก็มีการค้นพบอนุภาคชนิดใหม่มากขึ้น อนุภาคเหล่านี้มีอายุสั้นมาก ส่วนใหญ่มีอายุน้อยกว่า 1/1000 ล้านของวินาที อนุภาคบางชนิดรวมตัวกันเป็นอนุภาคที่มีความเสถียรมากขึ้น บางชนิดทำหน้าที่เป็นแรงยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสภายในอะตอม จากการรวบรวมผลการทดลอง สามารถนำมาประมวล และสร้างภาพออกมาได้เป็นแบบจำลองมาตรฐานของอะตอม (standard model of the atom)

• Fermions เป็นอนุภาคที่ทำให้อะตอมของวัตถุเป็นสสาร (matter) หรือปฏิสสาร (antimatter)
  • Matter
    • leptons อนุภาคมูลฐานที่ไม่ได้อยู่ในนิวเคลียส เช่น electron, neutrino
    • quarks อนุภาคมูลฐานที่อยู่ภายในนิวเคลียส
  • anti-matter อนุภาคตรงข้ามของ quarks และ leptons (anti-quarks, anti-leptons)
• Hadrons อนุภาคที่เป็นองค์ประกอบหลักของอะตอม

Bosons อนุภาคที่ทำหน้าที่เป็นตัวส่งผ่านแรง (รู้จักแล้ว 4 ชนิด)

แรงพื้นฐานมี 4 ชนิด

• แรงแบบเข้ม (Strong) เป็นแรงยึดเหนี่ยวนิวเคลียสของอะตอม
• แรงแบบอ่อน (Weak) เป็นแรงทางด้านการสลายตัวกัมมันตภาพรังสี
• แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetism) เป็นแรงกระทำระหว่างกันของอนุภาคมีประจุ คือแรงไฟฟ้า และแรงแม่เหล็ก
• แรงโน้มถ่วง (Gravity) เป็นแรงกระทำระหว่างกันของมวลตามระยะทาง

Fermions: Matter and Anti-matter

อนุภาคของสสาร (matter) และปฏิสสาร (anti-matter)

Leptons
Leptons เป็นอนุภาคที่เล็กมาก มีเส้นผ่าศูนย์กลางน้อยกว่า 10-15 เมตร จึงยังไม่ทราบโครงสร้างภายในและขนาดที่แน่นอน มีมวลน้อยมาก เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง สามารถอธิบายด้วย wave functionsได้ดี lepton ที่รู้จักกันดี คืออิเล็กตรอน และนิวตริโน (neutrino) lepton แบ่งออกเป็น

• electron-electron neutrino
• muon-muon neutrino
• tau-tau neutrino

Quarks
Quarks เป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็กมาก มีเส้นผ่าศูนย์กลางน้อยกว่า 10-15 เมตร เป็นอนุภาคของแรงแบบเข้ม (strong nuclear force) ในนิวเคลียส ยังไม่มีการพบ quarks แบบที่อยู่เป็นอิสระ ทั้งนี้อาจเป็นเพราะมันเข้ารวมตัวกันรวดเร็วมาก Quarks มีประจุเป็นเศษส่วนของหน่วย และแบ่งออกได้หลายชนิด ดังนี้

• down (d) ประจุ = -1/3
• up (u) ประจุ = +2/3
• strange (s) ประจุ = -1/3
• charm (c) ประจุ = +2/3
• bottom (b) ประจุ = -1/3
• top (t) ประจุ = +2/3 (มีมวลมากที่สุด, ค้นพบในปี 1995)

ปัจจุบันเชื่อว่า quarks เป็นอนุภาคพื้นฐานที่สุดของวัตถุ

ปฏิสสาร (Antimatter)
เรายังมีความรู้ไม่มากนักเกี่ยวปฏิสสาร (antimatter) อนุภาคที่เป็นปฏิสสารชนิดแรกที่มีการค้นพบ คือ โพสิตรอน (positron) ซึ่งมีมวลเท่ากับอิเล็กตรอน แต่มีประจุเป็นบวก ปัจจุบัน ฟิสิกส์ของอนุภาคทางด้านนี้ยังอยู่ในขั้นของการศึกษา

Hadrons, Bosons และ Big Bang

Hadrons
Hadrons เป็นองค์ประกอบของนิวเคลียส อนุภาคชนิดนี้ เกิดจากการรวมตัวกันของ quarks อนุภาค hadrons ที่รู้จักกันดีคือโปรตอนกับนิวตรอน ซึ่งเกิดจากการรวมกันของ 3 quarks

• Proton = 2 up quarks + 1 down quark [ประจุของ proton = (+2/3) + (+2/3) + (-1/3) =+1]
• Neutron = 2 down quarks + 1 up quark [ประจุของ neutron = (-1/3) + (-1/3) + (+2/3) = 0]

Bosons
นักฟิสิกส์คาดว่ามีการแลกเปลี่ยนอนุภาคชนิดนี้ เมื่อมีแรงกระทำต่อกัน แรงกระทำมีแบบที่เป็นแรงดึงดูดและแรงผลัก แต่ไม่มีใครบอกได้ว่าโดยแท้จริงแล้วมีอะไรเป็นตัวกลางในการส่งแรง Richard Feynman ได้เสนอว่า แรงกระทำระหว่างอนุภาค เกิดจากการแลกเปลี่ยน boson หรือ gauge particle ลองนึกถึงนักสเกตสองคน ถ้าคนหนึ่งโยนลูกบอลให้และอีกคนรับ จะเกิดแรงผลักให้มีทิศทางออกจากกัน ถ้าสเกตเป็นอนุภาค ลูกบอลเป็นตัวส่งผ่านแรง แรงคือการผลักออกจากกัน ในกรณีของอนภาค เราพบว่ามีแรงกระทำ แต่ไม่พบการเปลี่ยนแปลง
bosons ที่รู้จักแล้วมี 4 ชนิด

• Gluon – เป็นตัวพาแรงแบบเข้ม (strong force) แต่จะมีผลที่ระยะ 10-13 cm
• W และ Z – เป็นตัวพาแรงแบบอ่อน (weak force) มีขนาดเป็น 1/10,000 ของแรงแบบเข้ม โดยมีผลที่ระยะ 10-15 cm
• Photon – เป็นตัวพาแรงแม่เหล็กไฟฟ้า มีขนาดเป็น 1/137 ของแรงแบบเข้ม และมีผลที่ทุกระยะ
• มีผู้เสนอถึงการมี gauge particle ชนิดที่ 5 หรือ graviton แต่ยังไม่มีการค้นพบ โดยเชื่อว่า graviton เป็นตัวพาของแรงโน้มถ่วง มีขนาด 10-39เท่าของแรงแบบเข้ม และมีผลที่ทุกระยะ

ตามประวัติศาสตร์ James Clerk Maxwell ได้รวมแรงแม่เหล็กและไฟฟ้าเข้าด้วยกัน ในศตวรรษที่ 19 เมื่อนักฟิสิกส์ได้สร้างเครื่องเร่งอนุภาคที่มีกำลังสูงมากขึ้น มีอุณหภูมิและพลังงานสูงขึ้น จึงได้พบว่าแรงสามารถรวมกันได้ เรียกว่า unify การทดลองโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาค แสดงให้เห็นว่า แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน (weak force) สามารถรวมกันเป็น electroweak force นักฟิสิกส์หลายคนเชื่อว่า เมื่อนานมาแล้ว แรงทุกชนิดเคยรวมกันเป็นแรงชนิดเดียว ทฤษีที่พยายามอธิบายถึงแรงที่รวมกันเป็นแรงชนิดเดียวนี้ เรียกว่า unified theories หรือ grand unified theories (GUT) และหวังกันว่า GUTs จะบอกได้ถึงสภาวะของเอกภพเมื่อตอนเริ่มต้น เนื่องจากการทดลองโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาค เชื่อว่าเป็นการจำลองสภาวะของเอกภพในช่วงเศษเสี้ยวของวินาทีภายหลัง Big Bang  ซึ่งอาจจะพบหลักฐานที่จะนำมายืนยันหรือหักล้างทฤษฎี GUT

ตามทฤษฎี Big Bang:

• ก่อนการเกิด Big Bang เอกภพมีความร้อนสูงมาก มีขนาดเล็ก สสารทุกอย่างอยู่ในสภาวะของ free quarks
• ภายหลังจากการระเบิด
  • เอกภพมีการขยายตัวขึ้นทันทีขณะเย็นลง
  • Quarks รวมตัวกันเป็น hadrons
  • แรงแต่ละชนิดมีการแยกตัวออก
  • อะตอมของสสารเริ่มก่อรูป
  • สสารรวมตัวกันเป็นกลุ่ม ดวงดาว กาแลกซี

เมื่อมีการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคที่มีขนาดใหญ่มากขึ้นๆ นักฟิสิกส์จะสามารถจำลองสภาวะเมื่อเวลา 10-43 วินาที หลังจากเกิด Big Bang ได้

ทิศทางในอนาคตของฟิสิกส์อนุภาค (Future Directions in Particle Physics)

มีหลายคำถามที่แบบจำลองมาตรฐานยังตอบไม่ได้ :

• ทำไมจึงต้องใช้ quarks 3 คู่ในการสร้างสสารขึ้นมา ทั้งที่คู่เดียวก็น่าจะเพียงพอ
• อะไรทำให้อนุภาค (รวมทั้งอะตอมและสสาร) มีมวล
• ทำไม top quark จึงมีมวลสูงมาก (มากกว่า bottom quark 35 เท่า) เมื่อเทียบกับอนุภาคชนิดอื่น

นี่เป็นเพียงไม่กี่คำถามที่ยังต้องค้นหาคำตอบในโลกของฟสิกส์อนุภาค