อนุภาคมูลฐาน ควาร์ก 3 อนุภาค รวมกันเป็นอะไร

หลังจากที่ เจ.เจ. ทอมป์สัน ได้พิสูจน์การมีอยู่ของอิเล็กตรอนแล้ว ต่อมาในปี 1911 นักฟิสิกส์ชาวนิวซีแลนด์ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ได้แสดงให้เห็นว่าอะตอมของสสารมีโครงสร้างภายในซึ่งประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกขนาดเล็กมาก และมีอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งโคจรรอบนิวเคลียส เขาอนุมานสิ่งนี้โดยการวิเคราะห์วิธีที่อนุภาคแอลฟาซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุบวกที่อะตอมของธาตุกัมมันตภาพรังสีปล่อยออกมา จะเบี่ยงเบนไปเมื่อชนกับอะตอม

ในตอนแรก เชื่อกันว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนและอนุภาคที่มีประจุบวกที่เรียกว่า “โปรตอน” ซึ่งมาจากคำภาษากรีกที่แปลว่า “ก่อน” เพราะเชื่อกันว่าเป็นหน่วยมูลฐานที่ประกอบเป็นสสาร อย่างไรก็ตามในปี 1932 เจมส์ แชดวิก (James Chadwick) เพื่อนร่วมงานของรัทเทอร์ฟอร์ดในเมืองเคมบริดจ์ ค้นพบว่านิวเคลียสมีอนุภาคอีกตัวหนึ่งที่เรียกว่า “นิวตรอน” ซึ่งมีมวลเกือบเท่ากับโปรตอน แต่ไม่มีประจุไฟฟ้า แชดวิกได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบของเขา และได้รับเลือกให้เป็น Master of Gonville and Caius College, Cambridge

ต่อมา แชดวิก ได้ลาออกจากการเป็นอาจารย์เพราะไม่เห็นด้วยกับพวกพ้อง มีการโต้เถียงกันในวิทยาลัย กลุ่มเพื่อนรุ่นเยาว์ที่กลับมาหลังจากสงคราม ได้ลงคะแนนให้เพื่อนเก่าหลายคนออกจากสำนักงานของวิทยาลัยที่พวกเขาจัดตั้งขึ้นมาเป็นเวลานาน นี่เป็นช่วงก่อนที่ฉันจะเข้าเรียนที่วิทยาลัยแห่งนี้ในปี 1965 จนถึงจุดสิ้นสุด เมื่อความไม่ลงรอยกันในลักษณะเดียวกันนี้ บีบบังคับให้ เซอร์เนวิลล์ มอตต์ (Sir Nevill Mott) ปรมาจารย์ผู้ได้รับรางวัลโนเบลต้องลาออกไปอีกคน

เมื่อประมาณสามสิบปีที่แล้ว เชื่อกันว่าโปรตอนและนิวตรอนเป็น “อนุภาคมูลฐาน (elementary particle)” แต่การทดลองที่โปรตอนชนกับโปรตอนหรืออิเล็กตรอนด้วยความเร็วสูง บ่งชี้ว่ายังมีอนุภาคขนาดเล็กกว่า อนุภาคเหล่านี้ได้รับการตั้งชื่อว่า “ควาร์ก (quark)” โดย Murray Gell-Mann นักฟิสิกส์ของสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (Caltech) ผู้ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลในปี 1969 จากผลงานของเขา ที่มาของชื่อนี้เป็นคำพูดลึกลับจาก James Joyce: “Three quarks for Muster Mark!” คำว่า quark ควรจะออกเสียงเหมือน quart แต่มี k ต่อท้ายแทนที่จะเป็น t แต่มักจะออกเสียงว่าคล้องจองกับ lark

ควาร์กมีหลายประเภทหรือหลาย “รสชาติ (flavor)” พวกมันมี 6 รสชาติที่เรียกว่า ขึ้น (up) ลง (down) แปลก (strange) มีเสน่ห์ (charm) ล่าง (bottom) และบน (top) ควาร์ก 3 รสชาติแรกเป็นที่รู้จักมาตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1960 แต่ควาร์กมีเสน่ห์ถูกค้นพบในปี 1974 ควาร์กล่างถูกค้นพบในปี 1977 และควาร์กบนถูกค้นพบในปี 1995 ควาร์กแต่ละรสชาติมีสาม “สี” ได้แก่ แดง เขียว และน้ำเงิน (ควรเน้นว่าคำเหล่านี้เป็นเพียงป้ายกำกับ: ควาร์กมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้มาก ดังนั้นจึงไม่มีสีใดๆ ในความหมายปกติ นักฟิสิกส์สมัยใหม่ดูเหมือนจะมีวิธีตั้งชื่ออนุภาคใหม่ด้วยจินตนาการมากกว่า และปรากฏการณ์—พวกมันไม่ได้จำกัดตัวเองอยู่แค่ภาษากรีกอีกต่อไป!)

โปรตอนหรือนิวตรอนประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัว แต่ละตัวมี 1 สี โปรตอนประกอบด้วย up quark สองตัวและ down quark หนึ่งตัว นิวตรอนประกอบด้วย down quark สองตัว และ up quark หนึ่งตัว เราสามารถสร้างอนุภาคที่ประกอบด้วยควาร์กอื่นๆ (แปลก มีเสน่ห์ ล่าง และบน) แต่สิ่งเหล่านี้ล้วนมีมวลมากขึ้นและสลายตัวอย่างรวดเร็วไปเป็นโปรตอนและนิวตรอน

ฮาดรอน (Hadron)

เป็นที่ทราบกันดีแล้วว่า อะตอมมีนิวเคลียสเป็นแกนกลางซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน โดยมีอิเล็กตรอนโคจรอยู่โดยรอบ อย่างไรก็ตาม นี่ยังไม่ใช่อนุภาคมูลฐาน (elementary particle) ที่เล็กที่สุดที่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบ

ในช่วงทศวรรษที่ 1930 เมื่อเครื่องเร่งอนุภาค (particle accelerators) เครื่องแรกเริ่มดำเนินการเพื่อไขความลึกลับของนิวเคลียสของอะตอม นักฟิสิกส์สามารถค้นพบอนุภาคย่อยของอะตอม (subatomic particles) ใหม่ๆ จํานวนมาก “สวนสัตว์อนุภาค (particle zoo)” ก็เพิ่มขึ้นจากการพบอนุภาคไม่กี่ตัวในช่วงต้นทศวรรษที่ 1930 และ 1940 เป็นหลายสิบตัวในปี 1950 จนกระทั่งถึงปี 1960 มีการค้นพบอนุภาคต่างๆ มากกว่า 100 อนุภาคในนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งอนุภาคส่วนใหญ่เป็นฮาดรอน (Hadron) หลายหลากชนิด

อนุภาคย่อยของอะตอมถูกจำแนกตามมวล ชนิดของปฏิกิริยา และประจุไฟฟ้า การจำแนกตามมวลของอนุภาคเป็นวิธีพื้นฐานที่สุดในการทำความเข้าใจอนุภาคย่อยของอะตอม รูปต่อไปนี้แสดงการจำแนกประเภทของอนุภาคตามมวล

ฮาดรอน (Hadron) เป็นอนุภาคที่หนักที่สุด พวกมันอยู่ภายใต้แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (strong nuclear force) ฮาดรอนถูกแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มใหญ่ โดยใช้มวลของอนุภาคเป็นเกณฑ์

(1) แบริออน (Baryons) เป็นอนุภาคที่มีมวลมาก ตัวอย่างของแบริออน ได้แก่ โปรตอนและนิวตรอน ซึ่งเป็นส่วนประกอบของนิวเคลียสในอะตอมนั่นเอง

(2) มีซอน (Mesons) มีมวลมากกว่ามวลของอิเล็กตรอน แต่น้อยกว่ามวลของอนุภาคในกลุ่มแบริออน ตัวอย่างของมีซอน ได้แก่ Pions และ Kaons 

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างแบริออนและมีซอน คือ แบริออนประกอบด้วยอนุภาคควาร์ก (quark) สามตัว ในขณะที่มีซอนประกอบด้วยอนุภาคของควาร์กและแอนติควาร์ก (quark-antiquark)

เลปตอน (Leptons) เป็นอนุภาคที่เบาที่สุด เป็นอนุภาคที่ไม่ได้รับผลกระทบจากแรง อนุภาคประเภทนี้ไม่ปรากฏว่าประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กกว่าใดๆ ดังนั้นจึงถือว่าเป็นอนุภาคมูลฐานซึ่งไม่อาจถูกแบ่งแยกได้อีก ตัวอย่างของเลปตอนได้แก่ อิเล็กตรอน มิวออน และนิวตริโน

ก่อนปี 1960 เชื่อกันว่าฮาดรอน (Hadron) เป็นอนุภาคมูลฐานซึ่งเป็นหน่วยการสร้างพื้นฐานที่ใช้สร้างทุกสิ่งทุกอย่างและไม่อาจถูกแบ่งแยกได้อีก แต่ในปี 1964 เมอร์เรย์ เกลมาน (Murry Gell-Mann) นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน และจอร์จ ซไวก์ (George Zweig) นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย – อเมริกัน ได้สังเกตเห็นรูปแบบใน “สวนสัตว์อนุภาค (particle zoo)” ที่บอกเป็นนัยถึงการมีอยู่ของสิ่งต่างๆ ที่มีขนาดเล็กกว่าฮาดรอน เขาทั้งสองได้เสนอสมมติฐานว่า อนุภาคใหม่หลายร้อยชนิดที่รู้จักในขณะนั้น จะประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานที่มีขนาดเล็กกว่าและแตกต่างกัน 3 อนุภาค ที่ยึดเข้าด้วยกันโดยแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม

ตอนแรกเกลมานไม่แน่ใจว่าจะเรียกอนุภาคเหล่านี้ว่าอะไร แต่เขารู้คุณสมบัติบางอย่างที่พวกมันต้องมี ตัวอย่างเช่น เนื่องจากเขาคิดว่า “จะต้องใช้ควาร์ก 3 ตัวในการประกอบเป็นโปรตอนซึ่งมีประจุ +1” เขาจึงคิดว่าควาร์กตัวเดียวต้องมีประจุเพียงเศษเสี้ยวของประจุของโปรตอน นี่เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าอนุภาคสามารถมีประจุเป็นเศษส่วนได้!

เกลมานผู้ซึ่งรักคำและภาษามาโดยตลอด ต้องการคิดชื่อที่ติดหูและน่าจดจำสำหรับอนุภาคใหม่ของเขา และในขณะที่อ่าน Finnegan’s Wake นวนิยายที่ตีพิมพ์ในปี 1939 และเขียนด้วยภาษาที่แปลกประหลาดของ James Joyce เขาก็พบประโยคที่ดูเหมือนจะดึงดูดใจเขา มันบอกว่า “สามควาร์กสำหรับมัสเตอร์มาร์ค! (Three quarks for Muster Mark!)” และเกลมานก็คิดว่าว้าว! ช่างเป็นคำที่ยอดเยี่ยมและน่าจดจำ! เกลมานจึงให้ชื่ออนุภาคใหม่ตัวนี้ว่า “ควาร์ก (Quark)”

เกลมานและจอร์จได้เสนอแบบจำลองควาร์กครั้งแรก มีการตั้งสมมติฐานว่า แบริออน (Baryons) ตัวอย่างเช่น โปรตอนและนิวตรอน จะประกอบด้วยควาร์ก 3 ชนิดที่เรียกว่า ควาร์กขึ้น (up quark), ควาร์กลง (down quark) และควาร์กแปลก (strange quark) ที่มีสปิน (spin) 0.5 และมีประจุไฟฟ้า 2/3, —1/3 และ —1/3 ตามลำดับ ส่วนมีซอน (Mesons) ประกอบด้วยควาร์กและแอนติควาร์ก (quark-antiquark)

ในตอนแรก นักวิทยาศาสตร์หลายคนไม่เชื่อว่าควาร์กมีอยู่จริง ไม่มีหลักฐานยืนยันการมีอยู่ทางกายภาพของพวกมัน อย่างไรก็ตาม เพียงไม่กี่ปีต่อมา นักวิจัยที่ Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) ในแคลิฟอร์เนียยืนยันการมีอยู่ของควาร์กเป็นครั้งแรกในปี 1968 ที่ค้นพบผ่านการชนกันของอนุภาคที่มีพลังงานสูงในเครื่องเร่งอนุภาค

เกลมานได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1969 สำหรับงานของเขาเกี่ยวกับการจำแนกอนุภาคมูลฐานและปฏิสัมพันธ์ของอนุภาค ทฤษฎีควาร์กของเขาได้รับการทดสอบและประสบความสำเร็จจากการทดลองในเครื่องเร่งอนุภาคนับไม่ถ้วน ปัจจุบันนักฟิสิกส์ทราบถึงการมีอยู่ของควาร์ก 6 ชนิดที่แตกต่างกันพร้อมกับปฏิสสาร-แอนติควาร์ก พวกมันอยู่รวมกันเป็นกลุ่มเพื่อสร้างอนุภาคประเภทต่างๆ มากมาย รวมถึงอนุภาคที่คุ้นเคย เช่น นิวตรอนและโปรตอน

French Montana – Writing on the Wall ft. Post Malone, Cardi B, Rvssian

ควาร์ก (Quark)

โลกที่เราเห็นรอบตัวเรา สร้างขึ้นจากอนุภาคมูลฐานที่เล็กที่สุดในจักรวาล คือ “ควาร์ก (quark)” (รวมทั้งกลูออน-gluon) พวกมันสร้างโปรตอนและนิวตรอนซึ่งเป็นนิวเคลียสของอะตอมที่ประกอบเป็นสสาร โลก และจักรวาลของเรา 

ควาร์กมี 6 ชนิดหรือ “6 รสชาติ” : ควาร์กขึ้น (up quark), ควาร์กลง (down quark), ควาร์กแปลก (strange quark), ควาร์กมีเสน่ห์ (charm quark),  ควาร์กบน (top quark) และ ควาร์กล่าง (bottom quark) จงดีใจที่ควาร์กมีชื่องี่เง่าเช่นนี้ — มันทำให้จำได้ง่ายขึ้น! บ่งบอกถึงอารมณ์ขันของนักฟิสิกส์กับการตั้งชื่อควาร์ก 

จากควาร์กทั้ง 6 ชนิด มีเพียง 2 ชนิดเท่านั้นที่ปรากฏขึ้นตามธรรมชาติ คือ up quark และ down quark ซึ่งเป็นหน่วยการสร้างของโปรตอนและนิวตรอน ส่วนควาร์กที่เหลือจะถูกสร้างขึ้นในเครื่องเร่งอนุภาคหรือในรังสีคอสมิกเท่านั้น ควาร์กสามารถเปลี่ยนจากชนิดหนึ่งไปเป็นอีกชนิดหนึ่งได้ ผ่านกระบวนการที่เรียกว่า “การสลายตัวของอนุภาค (particle decay)” ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงจาก “สถานะมวลที่สูงไปเป็นสถานะมวลต่ำ” ตัวอย่างเช่น down quark สามารถเปลี่ยนเป็น up quark ได้ง่าย และ charm quark สามารถกลายเป็น strange quark เป็นต้น

นักฟิสิกส์มักพูดถึงควาร์กเป็น 3 ตระกูล: ขึ้น/ลง, มีเสน่ห์/แปลก และบน/ล่าง แต่ละตระกูลมีประจุบวก 2/3 และมีประจุลบ -1/3 แต่จนถึงทุกวันนี้ ยังไม่มีใครทราบสาเหตุที่อนุภาคมีประจุเป็นเศษส่วนได้อย่างไร นอกจากนี้ควาร์กแต่ละตัวมีคู่ของมันที่เป็นปฏิสสาร (antimatter) ที่มีมวลเท่ากัน แต่มีประจุตรงกันข้าม เรียกว่า แอนติควาร์ก (antiquark) 

เราไม่พบควาร์กอยู่ตามลำพังในธรรมชาติ มันจะรวมตัวกันเป็นกลุ่มอยู่ร่วมกับควาร์กอื่นหรือแอนติควาร์กเสมอ

คาร์กขึ้น (Up quark) และ คาร์กลง (Down quark)

เมื่อปี 1964  เมอร์เรย์ เกล-แมนน์ (Murry Gell-Mann) เสนอว่าอนุภาคอย่างโปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานที่เล็กกว่าเรียกว่า “up quark และ down quark” ซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นเศษส่วน นั่นคือ up quark มีประจุ 2/3 ส่วน down quark มีประจุ -1/3 ไม่มีเหตุผลเฉพาะสำหรับชื่อของพวกมัน

ในปี 1968 ในการทดลองกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นลึก (Deep inelastic scattering experiment) ที่ Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) ทีมงานได้ยิงอิเล็กตรอนที่มีความเร็วสูงไปที่โปรตอนในนิวเคลียสของอะตอม และสังเกตว่าอิเล็กตรอนกระดอนออกมาอย่างไร เพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับโครงสร้างภายในของโปรตอน จากรูปแบบการกระเจิงของอิเล็กตรอน ดูเหมือนว่าอิเล็กตรอนจะกระเด้งออกมาจากแกนแข็งขนาดเล็กภายในโปรตอน แสดงให้เห็นว่าโปรตอนประกอบด้วยอนุภาคคล้ายจุดที่มีขนาดเล็กกว่ามาก ดังนั้นโปรตอนจึงไม่ใช่อนุภาคมูลฐาน ในขณะนั้นนักฟิสิกส์ไม่เต็มใจที่ลงความเห็นว่าอนุภาคเหล่านี้เป็นควาร์ก (quark) ในเวลาต่อมา อนุภาคที่ถูกค้นพบในการทดลองที่ SLAC ถูกระบุว่าเป็น up quark และ down quark ซึ่งมีประจุ 2/3 และ -1/3 จริงๆ (จึงเป็นการยืนยันแบบจำลองควาร์ก)

Jerome Friedman และ Henry Kendall และ Richard Taylor ผู้นำทีมทดลองที่ SLAC ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1990 สำหรับการค้นพบควาร์ก

Up quark และ down quark เป็นควาร์กที่มีมวลต่ำที่สุดในบรรดาควาร์กทั้งหมด ควาร์กที่หนักกว่าจะเปลี่ยนแปลงมาเป็น up quark และ down quark อย่างรวดเร็วโดยผ่านกระบวนการสลายตัวของอนุภาค (particle decay) ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติของอนุภาคย่อยของอะตอมที่ไม่เสถียร อนุภาคที่สร้างขึ้นในกระบวนการนี้จะมีมวลน้อยกว่าอนุภาคเดิม ด้วยเหตุนี้ up quark และ down quark จึงเป็นควาร์กชนิดที่เสถียร และประกอบขึ้นเป็นสสารส่วนใหญ่ในจักรวาล ในขณะที่ strange quark, charm quark, top quark และ bottom quark จะเกิดขึ้นได้ก็จากการชนที่มีพลังงานสูงเท่านั้น (เช่น ในรังสีคอสมิกและในเครื่องเร่งอนุภาค)

นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งแต่ละตัวประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัว-โปรตอนประกอบด้วย up quark 2 ตัว และ down quark 1 ตัว สำหรับนิวตรอนประกอบด้วย up quark 1 ตัว และ down quark 2 ตัว ประจุของควาร์กรวมกันทำให้เกิดประจุของโปรตอน (+1) และนิวตรอน (เป็นกลางทางไฟฟ้า) ดังแสดงในแผนภาพข้างล่าง

คาร์กแปลก (Strange quark) และ คาร์กมีเสน่ห์ (Charm quark)

Strange quark: เป็นควาร์กที่เบาเป็นอันดับ 3 ของควาร์กทั้งหมด รองจาก up quark และ down quark โดยมีประจุ -1/3 และมีสปิน 1/2 และมักจะสลายตัวเป็น up quark

Strange quark ถูกพบในฮาดรอน (hadron) ตัวอย่างของฮาดรอนที่มี strange quark ได้แก่ คาออน (kaon หรือ K meson) ไฮเปอร์ออน (hyperon) และแลมบ์ดาแบรีออน (lambda baryon)

อนุภาคที่มี strange quark (kaon) ถูกค้นพบครั้งแรกในรังสีคอสมิกเมื่อปี 1947 แต่การมีอยู่ของ strange quark ถูกตั้งสมมติฐานในปี 1964 โดยเมอร์เรย์ เกลมาน (Murry Gell-Mann) และจอร์จ ซไวก์ (George Zweig) 

Strange quark มีบางอย่างที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า “ความแปลก” พวกมันมีอายุยืนยาวกว่า up quark และ down quark ชื่อของพวกมันมาจากอายุขัยที่ยาวนานที่แปลกประหลาดของมัน ย้อนกลับไปในปี 1950 นักฟิสิกส์สังเกตว่าอนุภาคหนักบางชนิด (sigma baryons, lambda baryons และ K mesons) มีอายุยาวนานกว่าที่นักฟิสิกส์คาดการณ์ไว้เมื่อพิจารณาจากมวลของพวกมัน อนุภาคส่วนใหญ่สลายตัวโดยตรงด้วยแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มและแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและมีอายุประมาณ 10−23 วินาที แต่อนุภาคใดๆ ที่มี strange quark มีความต้านทานต่อการสลายตัวด้วยแรงนิวเคลียสอย่างเข้มและแรงแม่เหล็กไฟฟ้า มันจะสลายตัวด้วยแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนเท่านั้น ด้วยเหตุผลนี้อนุภาคที่มี strange quark จึงสลายตัวช้ากว่าอนุภาคอื่นมากและมีอายุยาวนานมากประมาณ 10−10 วินาที อย่างไรก็ตามพฤติกรรมนี้ถือว่าแปลกในสมัยนั้น แต่ไม่แปลกในสมัยนี้

หมายเหตุ: แรงพื้นฐานในธรรมชาติ (fundamental interactions in nature) มี 4 ชนิด  คือ

1. แรงโน้มถ่วง (gravitational force) เป็นแรงกระทำระหว่างกันของมวลตามระยะทาง ยิ่งวัตถุมีมวลมากก็ยิ่งมีแรงชนิดนี้มาก 

2. แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic force) เป็นแรงกระทำระหว่างกันของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า

3. แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (strong nuclear force หรือ strong interaction) เป็นแรงที่ทำหน้าที่ยึดเหนี่ยวนิวเคลียสของอะตอม

4. แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน (weak nuclear force หรือ weak interaction) เป็นแรงที่รับผิดชอบต่อการสลายตัวให้กัมมันตรังสีของอนุภาคย่อยของอะตอม

Charm quark:

เป็นควาร์กตัวที่สี่ที่ถูกค้นพบ โดยมีประจุ 2/3 และมีสปิน 1/2 มันมีมวลมากกว่า up quark และ down quark ที่ประกอบกันเป็นโปรตอนและนิวตรอนหลายร้อยเท่า และเป็นควาร์กที่หนักที่สุดเป็นอันดับสามรองจาก top quark และ bottom quark ตัวอย่างของฮาดรอนที่มี charm quark ได้แก่ J/ψ เมซอน (J/psi meson), D เมซอน (D meson), ซิกม่าแบริออน (Sigma baryon) 

ตลอดช่วงทศวรรษที่ 1960 นักฟิสิกส์ยังคงใช้แบบจำลองควาร์กสามตัว (up quark, down quark และ strange quark) ของ Gell-Mann จนกระทั่งในปี 1970 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Sheldon Glashow นักฟิสิกส์ชาวกรีก John Iliopoulis และนักฟิสิกส์ชาวอิตาลี Luciano Maiani ได้พัฒนาทฤษฎีที่ทำนายการมีอยู่ของควาร์กตัวที่สี่ที่เรียกว่า ควาร์กมีเสน่ห์ (charm quark) เพื่ออธิบายการไม่มีปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่คาดไว้

ต่อมาในปี 1974 charm quark ถูกค้นพบเกือบพร้อมกันโดยสองทีมที่แตกต่างกัน โดยใช้เครื่องเร่งความเร็วสองเครื่องที่แตกต่างกัน คือ ในการทดลองที่ Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) นำโดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน บอร์ตัน ริคเตอร์ (Burton Richter) และอีกหนึ่งที่ Brookhaven National Laboratory (BNL) นำโดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน แซมเมียล ติง (Samuel Ting) เนื่องจากควาร์กไม่เคยมีอยู่ตามลำพังในธรรมชาติ พวกมันอยู่ร่วมกับควาร์กอื่นหรือแอนติควาร์กอยู่เสมอ การค้นพบนี้จึงเป็นการค้นพบอนุภาคที่มี charm quark นั่นคือ J/psi meson ซึ่งประกอบด้วย charm quark และ charm antiquark จากการค้นพบการมีอยู่ของควาร์กตัวที่สี่นี้ ทำให้เขาทั้งสองคนนี้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1976 สำหรับงานบุกเบิกในการค้นพบอนุภาคมูลฐานหนักชนิดใหม่

ที่มาของชื่อ charm quark นั้นเกิดจากความตั้งใจ เชื่อกันว่าเป็นเพราะมันทำให้คณิตศาสตร์ที่ใช้ในทฤษฎีทำงานได้อย่างมีเสน่ห์

ควาร์กบน (Top quark) และ ควาร์กล่าง (Bottom quark)

Bottom quark: 

Bottom quark เป็นคาร์กตัวที่ห้าที่ถูกค้นพบ โดยมีประจุ −1/3 มันมีมวลมากกว่า up quark, down quark, strange quark และ charm quark

ฮาดรอน (hadron) ที่มี bottom quark ได้แก่ B เมซอน (B meson), Bc และ Bs เมซอน (Bc meson และ Bs meson)

Bottom quark จะสลายตัวเปลี่ยนไปเป็นควาร์กที่เบากว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่ง charm quark

การมีอยู่ของคาร์กในตระกูลที่สาม “bottom quark” ถูกตั้งสมมติฐานในปี 1973 โดยนักฟิสิกส์ มาโกโตะ โคบายาชิ (Makoto Kobayashi) และโทชิฮิเดะ มาซาวะ (Toshihide Maskawa)  เพื่ออธิบาย “CP-Violation” เขาทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2008 จากการอธิบาย CP-Violation

Bottom quark ถูกค้นพบในปี 1977 โดยทีมทดลอง Fermilab E288 นำโดย Leon M. Lederman

Top quark: 

Top quark เป็นอนุภาคมูลฐานที่หนักที่สุดที่มีมวลใกล้เคียงกับอะตอมของทองคำ และมีมวลมากกว่าโปรตอน 185 เท่า ในขณะที่ควาร์กที่หนักที่สุดอันดับสอง คือ bottom quark หนักกว่าโปรตอนเพียง 4-5 เท่า

Top quark มีประจุ 2/3 มันจะสลายตัวเปลี่ยนไปเป็น bottom quark และ W โบซอน (W boson)

Top quark มีความพิเศษเพราะเป็นควาร์กเพียงตัวเดียวที่เราสามารถวัดจำนวนควอนตัมสปินและประจุได้โดยตรง

เมื่อมีการค้นพบ bottom quark ในปี 1977 ซึ่งบ่งชี้ว่าการมีอยู่ของคู่หูของมัน “top quark” ซึ่งต้องใช้เวลาค้นหาถึง 20 ปีกว่าที่นักฟิสิกส์จะเจอมัน การค้นพบ top quark เกิดขึ้นในปี 1995 ในเครื่องเร่งความเร็ว Tevatron ที่ Fermilab ในเมืองบาตาเวีย รัฐอิลลินอยส์ ซึ่งเป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในโลกในขณะนั้น ซึ่งได้ผลิตคู่ top quark-top antiquark (บางครั้งเรียก antitop quark) จากการชนกันของ proton-antiproton ที่มีพลังงานสูง ความสำเร็จครั้งนี้เกิดจากการทำงานร่วมกันของนักวิทยาศาสตร์จำนวน 450 คนจาก 2 ทีม CDF และ DZero

Top quark และ bottom quark ชื่อเดิมเรียกว่า ความจริง (truth quark) และความงาม (beauty quark) แต่นักฟิสิกส์คิดว่ามันน่ารักเกินไป ทุกวันนี้นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เรียกพวกมันว่า top quark และ bottom quark

John Duff – High Heels

โดยปกติเราจะไม่พบควาร์กอิสระตามธรรมชาติ แต่มันจะรวมตัวกันเป็นกลุ่ม โดยมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งทำหน้าที่เหมือนกาวเชื่อมให้ควาร์กเหล่านั้นติดกัน อนุภาคนี้คือ “กลูออน (gluon)” ทฤษฎีควอนตัมที่อธิบายแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (strong nuclear force) ระหว่างควาร์กและกลูออน เรียกว่า “ควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (Quantum chromodynamics; QCD)” ซึ่งคำว่า chromo มาจากคำภาษากรีกที่แปลว่า “สี” ควาร์กมีลักษณะผิดปกติของการมีประจุไฟฟ้าแบบเศษส่วน ไม่เหมือนกับโปรตอนและอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นจำนวนเต็ม +1 และ -1 ตามลำดับ ควาร์กยังมีประจุอีกประเภทหนึ่งที่เรียกว่า”ประจุสี (color charge)”

การมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างควาร์กและกลูออนถูกอธิบายไว้ในแง่ของคุณสมบัติใหม่ของสสารที่เรียกว่า “ประจุสี” สีในที่นี้ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับสีของแสง แต่เป็นเพียงรูปแบบของการตั้งชื่อ ควาร์กและกลูออนเป็นอนุภาคที่มีประจุสี ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคที่มีประจุสีทั้ง 2 ชนิดนี้ทำให้เกิดแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม ประจุสีของควาร์กมี 3 ชนิด ได้แก่ แดง น้ำเงิน และเขียว ควาร์กแต่ละตัวสามารถมีประจุสีใดก็ได้จากสามสี เมื่อควาร์กตั้งแต่สองตัวขึ้นไปอยู่ใกล้กันจะแลกเปลี่ยนกลูออนอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มอันทรงพลังซึ่งผูกควาร์กไว้ด้วยกัน กลูออนจึงเป็นเสมือน “กาวตราช้าง” ที่ยึดควาร์กเข้าด้วยกัน และควาร์กจะเปลี่ยนประจุสีอย่างต่อเนื่องในขณะที่แลกเปลี่ยนกลูออนกับควาร์กตัวอื่นๆ 

แรงนิวเคลียร์อย่างเข้มซึ่งคอยยึดควาร์กให้อยู่เป็นกลุ่ม เกิดจากควาร์กแต่ละตัวแลกเปลี่ยนกลูออนกัน ควาร์กที่มีประจุสีต่างกันจะรวมตัวกันเพื่อสร้างอนุภาคที่ไม่มีสี เช่น ควาร์กที่มีประจุสีแดง ต้องรวมตัวกับควาร์ก 2 ตัว ที่มีประจุสีน้ำเงิน และสีเขียวตามลำดับ เพื่อสร้างอนุภาคใหม่ที่มีความเสถียรและไม่มีสี เช่น โปรตอน และนิวตรอน คล้ายกันการรวมกันของประจุไฟฟ้าบวกและลบที่ได้ผลลัพธ์เป็นศูนย์

อนุภาคมูลฐาน ควาร์ก (quark) 3 อนุภาค รวมกันเป็นอะไร *

ควาร์กเกิดการรวมตัวกันเป็นสิ่งใด

อะตอมประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน 3 ชนิดมีอะไรบ้าง

อนุภาคมูลฐานประกอบไปด้วยอะไรบ้าง