ควาร์ก

ควาร์ก คือ ชื่อเรียกอนุภาคมูลฐานที่เป็นหน่วยเล็กที่สุดจริง ๆ ของสสารตามทฤษฎีใหม่ขององค์ประกอบของสสาร

ควาร์กคืออนุภาคที่เล็กที่สุดเท่าที่มีการ ยอมรับในตอนนี้ครับ ถูกค้นพบจากการทดลองยิงโปรตอนชนโปรตอนแล้วได้อนุภาคควาร์กออกมา ควาร์กมีประจุที่เรียกว่า “สี” มี 3 ประจุสี คือ แดง น้ำเงิน เขียว เมื่อรวมกันจะมีความเป็นกลางทางประจุกลายเป็นไม่มีสี คล้ายกันการรวมกันของประจุไฟฟ้าบวกและลบ เราจะไม่เห็นควาร์กแยกกันเป็นอิสระ เนื่องจากมีอนุภาคกลูออน (gluon) ที่นำพาแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มเชื่อมควาร์กเข้าด้วยกัน ปัจจุบันมี การค้นพบควาร์ก 6 ตัว คือ up quark, down quark, strange quark, charmed quark, bottom quark และ top quark โดยนิวตรอนและโปรตอนเกิดจากการรวมกันของควาร์ก นิวตรอนประกอบด้วย up quark 1 ตัว และ down quark 2 ตัว ส่วนโปรตอนประกอบด้วย up quark 2 ตัว และ down quark 1 ตัว

ควาร์ก (อังกฤษ: quark อ่านว่า /kwɔrk/ หรือ /kwɑrk/) คืออนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอม ตัวอย่างคือเมื่อมีสิ่งๆหนึ่งล่วงล้ำเข้าสู่อาณาเขตของหลุมดำ หากมันมีความเร็วน้อยกว่าหรือเท่ากับแสง มันจะถูกดูดและบดขยี้ทันที โดยจะถูกบดจนกลายเป็นอะตอม และถูกบดอีกจนกลายเป็นควาร์ก และไม่สามารถแยกย่อยได้อีก ถือเป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็กที่สุดในจักรวาล นี่เป็นตัวอย่างหนึ่งของความเข้าใจของนักวิทยาศาสตร์ซึ่งได้รับการพิสูจน์ แล้ว และอาจเป็นบันไดสู่เทคโนโลยีในอนาคต


Murry Gell-Mann ได้เสนอแนวคิดขึ้นมาว่า มีอนุภาคที่เป็นพื้นฐานของ Hardrons อยู่และเรียกพวกมันว่า ควาร์ก (Quark) (คำว่า quark (เสียงนกนางนวล) มาจากบทประพันธ์เรื่อง Finnegans Wake ของ James Joyce ในวลีที่ว่า "Three quarks for Muster Mark!") และ ในปี ค.ศ. 1964 Gell-Mann และ George Zweig ได้ทำการทดลองยิงอนุภาคโปรตอนความเร็วสูงไปชนกันให้แตกสลาย และพบอนุภาคที่เขาเรียกว่าควาร์กจริงๆ โดยที่ Gell-Mann พบว่า โดยการจับกลุ่มอย่างง่ายๆ ด้วยควาร์ก 3 อนุภาค (three quarks) และ ต่อมาก็พบอนุภาคที่ประกอบด้วยควาร์ก 2 อนุภาคด้วย แนวคิดนี้ ทำให้เขาสามารถอธิบายอนุภาคจำนวนพวกฮาดรอนเป็นร้อยๆ ชนิดที่พบในห้องทดลองได้อย่างน่าอัศจรรย์ และที่สำคัญคือยังทำนายถึงการมีอยู่ของอนุภาคที่ยังค้นไม่พบได้อีกด้วย และก็ทำให้ Gell-Man ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากการเสนอแนวคิดที่สวยงามนี้ ตามระเบียบ

อนุภาคควาร์ก มีด้วยกัน 3 คู่ คู่ที่เล็กที่สุดมีชื่อเรียกว่า Up Quark (แปลว่า ควาร์ก "ขึ้น") และ Down Quark (แปลว่า ควาร์ก "ลง") ซึ่งค้นพบจากการให้โปรตอนพลังงานสูงวิ่งชนกัน โดยที่ควาร์กดังกล่าวมีมวลและประจุไฟฟ้าตามตารางที่ 1 และพบว่าโปรตอนเกิดจากการรวมกันของควาร์กดังนี้คือ u + u + d ทำให้ประจุไฟฟ้าของโปรตอนเป็น 2/3+2/3-1/3 = +1e พอดี ส่วนนิวตรอนเกิดจากการรวมกันของ u + d + d ถ้าบวกประจุของควาร์กทั้งสามตัวดู จะพบว่าประจุรวมเป็นศูนย์พอดี ปฏิอนุภาคของนิวตรอนหรือแอนไทนิวตรอนประกอบด้วย แอนไทควาร์กสามอนุภาค คือ anti u + anti d + anti d ประจุรวมเป็น -2/3 + 1/3 + 1/3 = 0 ดังนั้น แอนไทนิวตรอน จึงเป็นกลางทางไฟฟ้าเหมือนกับนิวตรอน

ตารางที่ 1 ประจุไฟฟ้าและมวลของควาร์ก

ควาร์กคู่ถัดมามีลักษณะคล้ายกับคู่แรกแทบจะทุกประการยกเว้นมีมวลมากกว่า มีชื่อเรียกว่า Strange Quark (แปลว่า ควาร์ก "ประหลาด") และ Charm Quark (แปลว่า ควาร์ก "น่ารัก") ซึ่งพบจากเศษซากของการชนในเครื่องเร่งอนุภาค และถือเป็นเรื่องที่แปลกเหมือนกันว่า ทำไมธรรมชาติสร้างสิ่งที่ซ้ำซ้อนขึ้นมาได้โดยให้ให้แตกต่างกันเฉพาะมวลเท่า นั้น

รูปที่ 3 อารมณ์ขันของนักฟิสิกส์กับการตั้งชื่อควาร์ก

ควาร์กคู่ถัดมาคือ Bottom Quark (แปลว่า ควาร์ก "ล่าง" ถ้าดูในรูปที่ 3 บางทีฝรั่งใช้คำว่า Bottom ที่หมายถึง "ก้น") และ Top Quark (แปลว่า ควาร์ก "บน") เมื่อดูคุณสมบัติแล้วก็พบว่าเหมือนกันสองรุ่นแรกแทบจะทุกประการยกเว้นแต่เรื่องมวลเท่านั้น ดูรูปที่ 4จะสังเกตเห็นว่า การตั้งชื่อควาร์ก นำเอาคำคุณศัพท์และคำบุพบท มาใช้ โดยที่
Up = ขึ้น, Down = ลง, Strange = ประหลาด, Charm = น่ารัก, Top = บน, Bottom = ล่าง

ไม่ทราบว่า ท่านผู้อ่านจะมีอารมณ์ขันกับชื่อพวกนี้ด้วยไหม :-)

ควาร์กมีสี:

อนุภาคควาร์กนั้น อาจจะมองได้ว่ามี 6 รส (flavors) นั่นคือ Up , Down , strange , Charm , Top , Bottom ขณะที่แต่ละรส มี 3 สี (color) คือ แดง เขียว น้ำเงิน (สีของแม่สีทางแสงสี) เช่น โปรตอนเกิดจาก d-สีแดง + u-สีเขียว + u-สีน้ำเงิน ดังรูปที่ 5 - 6 ซึ่งสีของควาร์กทั้งสามตัวรวมกันแล้วต้องเป็นสีขาว (ตามหลักการรวมกันของแสงสี) รวมแล้วก็เป็นควาร์ก 18 ชนิด
และปฏิอนุภาคของควาร์กนั้น ก็จะมีสีตรงข้าม แสงสีที่เป็นสีตรงข้ามของแสงสีแดงคือแสงสีน้ำเงินเขียว แสงสีที่เป็นสีตรงข้ามของแสงสีเขียวคือแสงสีแดงม่วง และแสงสีที่เป็นสีตรงข้ามของแสงสีน้ำเงินคือแสงสีเหลือง ดังนั้น ปฏิอนุภาคของควาร์กก็จะมี 6 รส นั่นคือ Anti-Up , Anti-Down , Anti-strange , Anti-Charm , Anti-Top , Anti-Bottom และแต่ละรส มี 3 สี (color) คือ แดงม่วง น้ำเงินเขียว เหลือง จริงๆแล้ว ควาร์กมีสีหรือไม่ ไม่มีใครทราบ แต่การใช้สีสามารถอธิบายการรวมกันของควาร์กกลายเป็นอนุภาคพวกฮาดรอนได้อย่าง น่าอัศจรรย์ รวมแล้วจึงมีควาร์กทั้งหมดอยู่ 36 ชนิด ในการศึกษาเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐานเหล่านี้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างรูปแบบของการเกิดของจักรวาลของเราได้เลยที เดียว

รูปที่ 5 โปรตอน แอนไทโปรตอน นิวตรอน และอนุภาคแลมดา เป็นตัวอย่างของอนุภาคฮาดรอนเกิดจากการรวมกันของควาร์กสามตัวที่มีสีต่างกัน (รวมกันได้สีขาว)

รูปที่ 6 อนุภาคพาย(บวก)และอนุภาคเคออน(ศูนย์) เป็นตัวอย่างของอนุภาคฮาดรอนเกิดจากการรวมกันของควาร์กสองตัวที่มีสีต่างกัน (รวมกันได้สีขาว)




อ้างอิง:

1. Elementary Particles [online]. Available from: http://nobelprize.org/physics/index.html [Accessed 2005 March]

2. Elementary Particle Physics Glossary [online]. Available from:
http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/elementaryparticles/elementaryparticles.html [Accessed 2005 March]

3. Online Resources for Teachers [online]. Available from:
http://public.web.cern.ch/Public/Content/Chapters/Education/Education-en.html [Accessed 2005 March]

4. Fermilab Education Office [online]. Available from: http://www-ed.fnal.gov/ed_home.html [Accessed 2005 March].

5. Stephen W. Hawking (1998), A brief History of Time from the Big Bang to Black holes, New York Bantam Books.

ที่มา http://www.school.net.th/schoolnet/article/read.php?article_id=378