โปรตอนทําจากสามควาร์กชนกัน ควาร์กถูกยึดไว้เว็บบาคาร่าด้วยกันโดยกองกําลังที่แข็งแกร่งนิวเคลียร์ที่บรรทุกโดยกลูออน (เครดิตภาพ: มาร์ค กระเทียม/ห้องสมุดภาพวิทยาศาสตร์ ผ่าน Getty Images)
ข้ามไปที่:แรงที่แข็งแกร่งหรือแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งเป็นหนึ่งในสี่แรงพื้นฐานของธรรมชาติพร้อมกับแรงโน้มถ่วงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงที่อ่อนแอ ตามชื่อที่แนะนําพลังที่แข็งแกร่งเป็นพลังที่แข็งแกร่งที่สุดของทั้งสี่ มันจับอนุภาคพื้นฐานของสสารที่เรียกว่าควาร์กเพื่อสร้างอนุภาคขนาดใหญ่ขึ้น
พลังที่แข็งแกร่งในรุ่นมาตรฐาน
ทฤษฎีการครองราชย์ของฟิสิกส์อนุภาคคือแบบจําลองมาตรฐานซึ่งอธิบายองค์ประกอบพื้นฐานของสสารและวิธีที่พวกมันมีปฏิสัมพันธ์ ทฤษฎีนี้ได้รับการพัฒนาในช่วงต้นทศวรรษ 1970 และเมื่อเวลาผ่านไปและผ่านการทดลองหลายครั้งได้กลายเป็นทฤษฎีฟิสิกส์ที่ผ่านการทดสอบมาอย่างดีตาม CERN (เปิดในแท็บใหม่), องค์การเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป
ภายใต้แบบจําลองมาตรฐานอนุภาคมูลฐานที่เล็กที่สุดและพื้นฐานที่สุดอนุภาคหนึ่งหรืออนุภาคที่ไม่สามารถแยกออกเป็นส่วนเล็ก ๆ ได้คือควาร์ก อนุภาคเหล่านี้เป็นส่วนประกอบสําคัญของอนุภาคขนาดใหญ่ที่เรียกว่าแฮดรอนซึ่งรวมถึงโปรตอนและนิวตรอน นักวิทยาศาสตร์ไม่เห็นข้อบ่งชี้ใด ๆ ว่ามีอะไรที่เล็กกว่าควาร์ก แต่พวกเขายังคงมองหาแรงที่แข็งแกร่งถูกเสนอครั้งแรกเพื่ออธิบายว่าทําไมนิวเคลียสของอะตอมจึงไม่บินออกจากกัน ดูเหมือนว่าพวกเขาจะทําเช่นนั้นเนื่องจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่น่ารังเกียจระหว่างโปรตอนที่มีประจุบวกซึ่งอยู่ในนิวเคลียส นักฟิสิกส์ค้นพบในภายหลังว่าแรงที่แข็งแกร่งไม่เพียง แต่ยึดนิวเคลียสไว้ด้วยกัน แต่ยังรับผิดชอบในการผูกควาร์กที่ประกอบขึ้นเป็นแฮดรอน
”ปฏิสัมพันธ์ของแรงที่แข็งแกร่งมีความสําคัญใน … จับแฮดรอนไว้ด้วยกัน” ตาม “กองกําลังทั้งสี่ (เปิดในแท็บใหม่)”เนื้อหาหลักสูตรฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยดุ๊ก “ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งขั้นพื้นฐานถือควาร์กที่เป็นส่วนประกอบของแฮดรอนไว้ด้วยกัน และแรงที่เหลือจะยึดแฮดรอนไว้ด้วยกัน เช่น โปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส”
ควาร์กและแฮดรอนควาร์กส์ถูกตั้งทฤษฎีในปี 1964 โดยอิสระโดยนักฟิสิกส์ Murray Gell-Mann และ George Zweig และนักฟิสิกส์ได้สังเกตอนุภาคครั้งแรกที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Stanford Linear Accelerator ในปี 1968 จากข้อมูลของมูลนิธิโนเบล (เปิดในแท็บใหม่)Gell-Mann เลือกชื่อซึ่งกล่าวกันว่ามาจากบทกวีในนวนิยายเรื่อง “Finnegans Wake” โดย James Joyce:
”สามควาร์กสําหรับมัสเตอร์มาร์ค! แน่ใจว่าเขาไม่ได้มีมากของเปลือกไม้, และแน่ใจว่าใด ๆ ที่เขามีมัน
ทั้งหมดอยู่ข้างเครื่องหมาย.””การทดลองที่เครื่องเร่งอนุภาคในยุค 50 และ 60 แสดงให้เห็นว่าโปรตอนและนิวตรอนเป็นเพียงตัวแทนของอนุภาคตระกูลใหญ่ที่ปัจจุบันเรียกว่าแฮดรอน แฮดรอนมากกว่า 100 ตัว [ปัจจุบันมีมากกว่า 200] ซึ่งบางครั้งเรียกว่า ‘สวนสัตว์แฮดโรนิก’ ได้ถูกตรวจพบแล้ว” ตามหนังสือ “อนุภาคและนิวเคลียส: บทนําสู่แนวคิดทางกายภาพ” (Springer, 2008)
นักวิทยาศาสตร์ได้ให้รายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการที่ควาร์กประกอบขึ้นเป็นอนุภาคแฮดรอนเหล่านี้ “แฮดรอนมีสองประเภท: บารีออนและเมสันส์” ลีนา แฮนเซ่นเขียนไว้ใน “The Color Force (เปิดในแท็บใหม่)”บทความที่ตีพิมพ์ทางออนไลน์โดยมหาวิทยาลัยดุ๊ก “บารีออนทุกตัวประกอบด้วยควาร์กสามตัว และเมสันทุกตัวทําจากควาร์กและแอนติควอก” โดยที่แอนติควอกเป็นปฏิสสารคู่ของควาร์กที่มีประจุไฟฟ้าตรงข้าม Baryons เป็นชั้นของอนุภาคที่ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน Mesons เป็นอนุภาคอายุสั้นที่ผลิตในเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่และในการโต้ตอบกับรังสีคอสมิกพลังงานสูง
รสชาติและสีสันของควาร์กควาร์กมาในรสชาติที่แตกต่างกัน (เครดิตภาพ: Shutterstock)
ควาร์กมีหกสายพันธุ์ที่นักฟิสิกส์เรียกว่า “รสชาติ” ตามลําดับของการเพิ่มมวลพวกเขาจะเรียกว่าขึ้นลงแปลกเสน่ห์ด้านล่างและด้านบน ควาร์กขึ้นและลงมีความเสถียรและประกอบขึ้นเป็นโปรตอนและนิวตรอน Live Science รายงานก่อนหน้านี้ ตัวอย่างเช่น โปรตอนประกอบด้วยควาร์กขึ้นสองควาร์กและควาร์กลง และแสดงเป็น (uud)
รสชาติอื่น ๆ ที่มีขนาดใหญ่กว่านั้นผลิตเฉพาะในการโต้ตอบที่มีพลังงานสูงและสลายตัวอย่างรวดเร็ว โดยทั่วไปแล้วจะพบใน mesons ซึ่งสามารถมีการผสมผสานของรสชาติที่แตกต่างกันเป็นคู่ควาร์ก – แอนติควอร์ก ควาร์กตัวสุดท้ายถูกตั้งทฤษฎีในปี 1973 โดย Makoto Kobayashi และ Toshihide Maskawa แต่ไม่ได้สังเกตจนถึงปี 1995 ในการทดลองเร่งความเร็วที่ห้องปฏิบัติการเร่งความเร็วแห่งชาติ Fermi (Fermilab) โคบายาชิและมาสค์ิกาวะได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจําปี 2008 (เปิดในแท็บใหม่) สําหรับการทํานายของพวกเขา
ควาร์กมีคุณสมบัติอื่นนอกจากนี้ยังมีหกอาการ คุณสมบัตินี้ถูกระบุว่าเป็น “สี” แต่ไม่ควรสับสนกับความเข้าใจทั่วไปเกี่ยวกับสี อาการทั้งหกเรียกว่าสีแดง, น้ําเงิน, เขียว, แอนติเรด, แอนติบลูและแอนติกรีน anticolors เป็นของ antiquarks อย่างเหมาะสม คุณสมบัติสีอธิบายว่าควาร์กสามารถปฏิบัติตามหลักการยกเว้น Pauli ได้อย่างไรซึ่งระบุว่าไม่มีวัตถุที่เหมือนกันสองชิ้นใดที่สามารถครอบครองสถานะควอนตัมเดียวกันได้แฮนเซนกล่าว นั่นคือควาร์กที่ประกอบขึ้นเป็นแฮดรอนเดียวกันจะต้องมีสีต่างกัน ดังนั้นควารบาคาร่า
