ควาร์ก หรือ ควอร์ก (quark)
สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติิ
อนุภาคหลักมูล (fundamental particle) ที่เป็นองค์ประกอบของอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอมหลายชนิด ที่รู้จักกันดีคือเป็นองค์ประกอบของนิวตรอนและโปรตอน ควาร์กมี 6 ชนิด แต่ละชนิดเรียกว่าแต่ละเฟลเวอร์ (flavour) ได้แก่ อัป (up หรือ u) ดาวน์ (down หรือ d) ชาร์ม (charm หรือ c) สเตรนจ์ (strange หรือ s) ท็อป (top หรือ t) และบอตทอม (bottom หรือ b) ซึ่งควาร์กทั้ง 6 เฟลเวอร์นี้แบ่งตามขนาดของประจุได้เป็น 2 กลุ่ม คือ กลุ่มบน (up type) มีประจุ +2/3 ได้แก่ อัปควาร์ก ชาร์มควาร์ก และท็อปควาร์ก อีกกลุ่มคือกลุ่มล่าง (down type) มีประจุ -1/3 ได้แก่ ดาวน์ควาร์ก สเตรนจ์ควาร์ก และบอตทอมควาร์ก
ลูกศรเส้นทึบแสดงการสลายได้ง่าย เส้นประแสดงการสลายได้ยาก และมวลลดลงจากขวาไปซ้าย
เฟลเวอร์
มวล (GeV/c2)
ประจุไฟฟ้า (e)
u
อัป
0.004
+2/3
d
ดาวน์
0.008
-1/3
c
ชาร์ม
1.5
+2/3
s
สเตรนจ์
0.15
-1/3
t
ท็อป
176
+2/3
b
บอตทอม
4.7
-1/3
หมายเหตุ: c คือ ความเร็วของแสง และ e คือ ขนาดประจุของอิเล็กตรอน
อนุภาคโปรตอนและนิวตรอน มีมวลใกล้เคียงกัน คือ ประมาณ 0.938 GeV/c2 ซึ่งเมื่อมองลึกลงไปในองค์ประกอบแล้ว จะเห็นได้ว่า โปรตอน ประกอบด้วย อัปควาร์ก 2 อนุภาคกับดาวน์ควาร์ก 1 อนุภาค คิดเป็นมวลจากควาร์กเพียง 0.016 GeV/c2 ส่วนนิวตรอน ประกอบขึ้นจากอัปควาร์ก 1 อนุภาค กับดาวน์ควาร์ก 2 อนุภาค คิดเป็นมวลจากควาร์กเพียง 0.020 GeV/c2 หรือประมาณ 2 เปอร์เซ็นต์ของมวลโปรตอนและนิวตรอนเท่านั้น ทั้งนี้มวลที่เหลืออีก 98 เปอร์เซ็นต์ ส่วนหนึ่งอยู่ในรูปของพลังงานจลน์ของควาร์ก และส่วนใหญ่เป็นพลังงานศักย์ของการยึดเหนี่ยว ระหว่างกัน ของอนุภาคทั้งหลาย ภายในนิวเคลียสด้วยแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (strong nuclear force) ซึ่งเป็นปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแรงที่สุด ในบรรดาแรงพื้นฐานทั้ง 4 ชนิดในธรรมชาติ โดยแรงอีก 3 ชนิดคือ แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force) เป็นแรงกระทำต่อกันเมื่อมีอนุภาคใด ๆ เข้ามาใกล้นิวเคลียส หรือเมื่อมีอนุภาคใด ๆ จะหลุดออกไปจากนิวเคลียส เช่น เมื่อเกิดการสลายกัมมันตรังสีแล้วปล่อยอนุภาคบีตาออกมา แรงชนิดต่อมาคือแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic force) ซึ่งภายในอะตอมก็คือแรงที่ยึดเหนี่ยวกัน ระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอน ส่วนภายนอกอะตอม ก็คือปฏิกิริยาเคมี ซึ่งมีประจุไฟฟ้าบวกและลบ เข้ามาเกี่ยวข้องนั่นเอง และแรงชนิดสุดท้าย คือ แรงความโน้มถ่วง (gravity force) ซึ่งเป็นแรงดึงดูดกัน ระหว่างมวลและเป็นแรงที่แข็งแรงน้อยที่สุด เนื่องจากควาร์กเกี่ยวข้องกับแรงที่แข็งแรงที่สุดดังกล่าว ในธรรมชาติจะไม่พบควาร์กอยู่เดี่ยว ๆ อย่างอิสระ แต่จะอยู่เป็นกลุ่ม 2 อนุภาคเรียกว่ามีซอน (meson) หรือกลุ่มที่มี 3 อนุภาคเรียกว่า แบริออน (baryon) ซึ่งทั้งมีซอนและแบริออนมีชื่อเรียกรวมกันว่า แฮดรอน (hadron)
ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม (quantum mechanics) ศึกษาอนุภาคในแง่ของกลศาสตร์ว่าอนุภาคทุกชนิดมีการหมุนรอบแกนหมุนทำนองเดียวกับที่โลกหมุนรอบตัวเอง อนุภาคทุกชนิดจึงมีสมบัติหนึ่งเรียกว่าโมเมนตัมเชิงมุมซึ่งวัดได้ในห้องปฏิบัติการและวัดออกมาเป็น เลขสปิน (spin number) ซึ่งมีอยู่ 2 กลุ่มคือ กลุ่มที่มีเลขสปินเป็นเลขจำนวนเต็มซึ่งเป็นไปตามค่าสถิติโบส-ไอน์สไตน์ (Bose-Einstein statistics) และเรียกอนุภาคในกลุ่มนี้ว่าโบซอน (boson) ตามชื่อคนคิดค่าสถิตินี้ คือ สัตเยนดรา นาถ โบส (Satyendra Nath Bose) อนุภาคในกลุ่มโบซอนที่รู้จักกันดีก็คือ โฟตอนซึ่งมีเลขสปินเท่ากับ +1 อีกกลุ่มหนึ่งเป็นกลุ่มที่มีเลขสปินเป็นเศษส่วนและเป็นไปตามค่าสถิติเฟร์มี-ดิแรก (Fermi-Dirac statistics) อนุภาคในกลุ่มนี้เรียกว่า เฟร์มิออน (fermion) ตามชื่อของเอนรีโก แฟร์มี (Enrico Fermi) ต้นคิดค่าสถิติชนิดนี้ และควาร์กก็ถูกจัดอยู่ในกลุ่มเฟร์มิออนนี้เอง เพราะว่าควาร์กกลุ่มบนมีเลขสปิน +1/2 ส่วนควาร์กกลุ่มล่างมีเลขสปิน -1/2 อนุภาคในกลุ่มเฟร์มิออนที่รู้จักกันดีก็คือ อิเล็กตรอน ซึ่งมีเลขสปิน +1/2
เนื่องจากควาร์กเป็นเฟร์มิออนเช่นเดียวกับอิเล็กตรอน จึงต้องเป็นไปตามหลักการกีดกันเพาลี (Pauli exclusion principle) ด้วย (กรณีของอิเล็กตรอน มีการจำกัดจำนวนของอิเล็กตรอนที่จัดเรียงเป็นชั้น ๆ ภายในอะตอม ว่าแต่ละชั้นมีได้จำนวนเท่าใด) โดยกรณีของควาร์กเชื่อว่าควาร์กแต่ละเฟลเวอร์จะมีเลขควอนตัมภายใน (internal quantum number) เรียกว่า สี (color) ซึ่งมีด้วยกัน 3 สีได้แก่ แดง เขียว และน้ำเงิน