รู้จักควาร์ก (Quark) องค์ประกอบของโปรตอนและนิวตรอน
ควาร์กเป็นอนุภาคมูลฐานกลุ่มหนึ่งที่เล็กที่สุดที่ประกอบขึ้นเป็นเอกภพ ซึ่งธรรมชาติของควาร์กนั้นลึกลับซับซ้อนไม่แพ้ประวัติศาสตร์การค้นพบมันเลย การทำความรู้จักควาร์กนั้นท้าทายมากสำหรับคนทั่วไปที่สนใจฟิสิกส์
จริงๆแล้วแม้แต่คนที่เรียนฟิสิกส์จำนวนมากก็คงจะพบว่าควาร์กนั้นซับซ้อน แต่กระนั้นการทำความเข้าใจควาร์กนั้นก็จำเป็นอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจธรรมชาติในระดับพื้นฐานและมันส่งผลต่อเอกภพในระดับภาพรวมหลายด้าน อย่างน้อยๆควาร์กก็องค์ประกอบย่อยของโปรตอนกับนิวตรอนที่ประกอบขึ้นเป็นธาตุและสสารต่างๆที่ประกอบขึ้นเป็นตัวเราและสิ่งต่างๆรอบตัวเราอีกที
ก่อนอื่น ผมจะเล่าให้ฟังถึงภาพรวมทั้งหมดก่อน แล้วค่อยๆไล่เรียงไปยังเรื่องปลีกย่อยต่างๆ ฟิสิกส์แบบมาตรฐานและการทดลองยืนยันว่าควาร์กนั้นมีทั้งหมด 6 ชนิด ทุกชนิดล้วนแล้วแต่มีพฤติกรรมแปลกๆเรียกว่า Color confinement ทำให้ควาร์กไม่ปรากฏในธรรมชาติแบบเดี่ยวๆเลย
สมมติว่ามีควาร์กอยู่กลุ่มหนึ่ง แล้วเราพยายามดึงควาร์กอนุภาคหนึ่งให้ห่างจากกลุ่มมากขึ้น พลังงานระหว่างควาร์กจะเพิ่มขึ้นจนเมื่อถึงจุดหนึ่งพลังงานที่เพิ่มขึ้นจะสร้างเป็นควาร์กอนุภาคใหม่เกิดขึ้นมาเกาะกลุ่มขึ้นมาอีกเสมอ (Color confinement นั้นเป็นผลมาจากประจุสีของควาร์ก)
ควาร์กทั้ง 6 ชนิด ล้วนแล้วแต่มีมวลต่างกัน พวกมันมีชื่อว่า up down charm strange bottom top มวลของควาร์กเหล่านี้ถูกระบุเป็นช่วงกว้างๆ การที่เราไม่สามารถแยกควาร์กเดี่ยวๆออกมาศึกษาได้ทำให้การวัดมวลของควาร์กเป็นเรื่องท้าทายสำหรับนักฟิสิกส์มาโดยตลอด แต่ละวิธีการวัดก็มีขีดจำกัดความแม่นยำและให้มวลของควาร์กแตกต่างกันไปนั่นทำให้มวลของควาร์กถูกระบุเป็นช่วงกว้างๆนั่นเอง
ถามว่าทำไมธรรมชาติของควาร์กถึงซับซ้อน?
นั่นเป็นเพราะมันมีคุณสมบัติและแรงกระทำระหว่างอนุภาคอื่นๆที่ซับซ้อนมากๆ โดยผมจะเริ่มจากคุณสมบัติที่หลายคนคุ้นเคยกันก่อนนั่นคือ ประจุไฟฟ้า
โปรตอนประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัวคือ up up และ Down ส่วนนิวตรอนที่เป็นกลางทางไฟฟ้าประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัว คือ up down และ down โดย up มีประจุไฟฟ้า +2/3 ส่วน Down มีประจุ -1/3 เมื่อรวมกันแล้วจะได้ประจุไฟฟ้าเท่าโปรตอนและนิวตรอนพอดี
การที่ควาร์กยึดเกาะกันแน่นมากเป็นผลมาจากแรงพื้นฐานที่เรียกว่า แรงอย่างเข้ม (Strong interraction) เกิดจากคุณสมบัติที่เรียกว่า ประจุสี (Color charge) ของควาร์ก ได้แก่ แดง เขียว น้ำเงิน ส่วนปฏิอนุภาคจะมีประจุเป็น antired, antigreen, และ antiblue
ประจุสีนั้นไม่ใช่สีที่ตาเรามองเห็น แต่เป็นชื่อเรียกคุณสมบัติที่ฝังอยู่ในควาร์ก ซึ่งกฎบางอย่างของมันอธิบายได้ด้วยธรรมชาติของสี การเกาะกลุ่มของควาร์กเกิดขึ้นเมื่อแต่ละสีรวมกันแล้วไม่หลงเหลือความเป็นสีเสมอ เช่น โปรตอนและนิวตรอน ประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัว ที่มีประจุสีเป็น แดง เขียว น้ำเงิน ซึ่งรวมแล้วได้สีขาว(ไม่มีสี) ส่วนอนุภาคกลุ่มเมซอที่ประกอบด้วยควาร์กและปฏิควาร์ก นั้นจะมีสีตรงข้ามกันเสมอจึงหักล้างออกมาได้ไม่มีสีเช่นกัน
interaction ระหว่างกลูออน
ธรรมชาติของแรงอย่างเข้มอธิบายได้ด้วยทฤษฎี quantum chromodynamics ซึ่งสนามของแรงอย่างเข้มสอดคล้องกับอนุภาคที่เรียกว่า กลูออน(gluon) กล่าวคือ แรงอย่างเข้มนั้นเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคกลูออนระหว่างควาร์ก
กลูออนเองก็เป็นอนุภาคมูลฐานที่มีสองสีในอนุภาคเดียว ดังนั้นกลูออนจึงสามารถเกิดอันตรกิริยากับกลูออนอื่นๆได้หลายรูปแบบ รูปแบบประหลาดที่สุดที่นักฟิสิกส์จินตนาการถึงคือ การที่กลูออนเกาะเกี่ยวกันจนกลายเป็นกลุ่มก้อนของกลูออนที่เรียกว่า กลูบอล (Glueball) แต่ในปัจจุบันเรายังไม่ค้นพบกลูบอล
กลูบอล
เมื่อเทียบกับแรงระหว่างประจุไฟฟ้า สนามแม่เหล็กไฟฟ้านั้นสอดคล้องกับอนุภาคโฟตอนซึ่งตัวมันไม่ได้มีประจุไฟฟ้า โฟตอนจึงไม่ได้เกิดอันตรกิริยาระหว่างกันอย่างกลูออน ทำให้โลกของเรงอย่างเข้มนั้นซับซ้อนกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้ามหาศาล
แม้ว่าแรงอย่างเข้มจะมีความแรงสูงที่สุดในบรรดาแรงพื้นฐาน แต่เนื่องจากมันส่งออกไปได้ใกล้มากๆ ทำให้ห่างออกมาจากควาร์กเพียงเล็กน้อย แรงอย่างเข้มก็ลดลงจนแทบจะเป็นศูนย์แล้ว
แม้มันจะไม่ส่งผลต่อชีวิตประจำวันของมนุษย์เราโดยตรง แต่ผลจากแรงอย่างเข้มนี้เองทำให้อนุภาคโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสยึดเหนี่ยวกันไว้ได้
แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโปรตอนกับนิวตรอนนั้นไม่ใช่แรงพื้นฐานในธรรมชาติ แต่เป็นเหมือนเศษที่หลงเหลือออกมาจากแรงอย่างเข้ม โดยหนึ่งในแผนภาพที่แสดงแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโปรตอนกับนิวตรอนมีดังนี้
คำอธิบายแผนภาพนี้ซับซ้อนมาก ผมจะเล่าแยกออกไปในโพสต์อื่นครับ แต่กระนั้น สิ่งที้ท้าทายต่อความเข้าใจจริงๆคือ แรงอย่างอ่อนระหว่างควาร์ก ซึ่งซับซ้อนของจริง
ในครั้งถัดๆไปจะอธิบายให้ฟังครับ
- 38
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
