ฟิสิกส์ของอนุภาคถือกำเนิดขึ้นในปี พ.ศ. 2440 โดยมีการค้นพบอิเล็กตรอนโดย เจ.เจ. ทอมสัน และมีความก้าวหน้าทางการทดลองและแนวคิดมากมายในศตวรรษนี้นับตั้งแต่การค้นพบครั้งนี้ หัวหอมคอสมิกหลายชั้นถูกลอกออก และความเข้าใจปัจจุบันของเราเกี่ยวกับวัตถุนั้นถูกสรุปในรูปแบบที่เรียกว่าแบบจำลองมาตรฐาน ซึ่งได้รับการทดสอบด้วยความแม่นยำสูงในห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ของอนุภาคทั่วโลก
ไม่มีการวัด
ที่ได้รับการยืนยันจากการทดลองในห้องปฏิบัติการใด ๆ ที่ขัดแย้งกับแบบจำลองมาตรฐาน อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์อนุภาคของเราพบว่ามันไม่น่าพอใจนัก เพราะความสำเร็จของมันทำให้เกิดคำถามพื้นฐานมากมายที่ต้องการคำตอบ ความท้าทายของเราในสหัสวรรษหน้าคือการก้าวข้ามแบบจำลองมาตรฐาน
และก้าวไปสู่ระดับใหม่ในคำอธิบายองค์ประกอบของสสารและปฏิสัมพันธ์ของสสาร เป็นไปได้มากที่ความเข้าใจใหม่นี้จะทำให้แบบจำลองมาตรฐานดูเหมือนดั้งเดิมและไม่สมบูรณ์ เนื่องจากตอนนี้เราพบแบบจำลองอะตอมที่อธิบายฟิสิกส์และเคมีเมื่อปลายศตวรรษที่แล้ว อย่างไรก็ตาม แม้แต่อะตอม
ก็ยังมีความเกี่ยวข้องและมีประโยชน์อยู่บ้าง เช่นเดียวกับสมการของแมกซ์เวลล์และแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ดังนั้น เราอาจคาดหวังว่าทฤษฎีใหม่ๆ ที่พัฒนาขึ้นในสหัสวรรษหน้าจะมีแบบจำลองมาตรฐานฝังอยู่ภายใน อันดับแรก ให้เราสรุปคุณลักษณะที่สำคัญก่อนที่จะพิจารณาถึงปัญหาที่เปิดอยู่และวิธีแก้ไข
ชัยชนะปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคพื้นฐานที่อธิบายโดยแบบจำลองมาตรฐานคือแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนและแรง เป็นที่ทราบกันดีตั้งแต่ยุคแรก ๆ ของฟิสิกส์ควอนตัมว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอนุภาคที่มีประจุหนึ่งกับอีกอนุภาคหนึ่งถูกไกล่เกลี่ยโดยการแลกเปลี่ยนโฟตอน
ที่ไม่มีมวล ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าได้รับการอธิบายอย่างดีโดยทฤษฎีควอนตัมของอิเล็กโทรไดนามิกส์ที่มีมายาวนานที่เรียกว่า QED ในขณะเดียวกัน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่รุนแรงอธิบายโดยควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (QCD) และถูกสื่อกลางโดยโบซอนไร้มวลที่เรียกว่ากลูออน สิ่งเหล่านี้ถูก
ค้นพบ
ที่ห้องปฏิบัติการ ในเยอรมนีในปี 1979 ตามทฤษฎีที่เป็นเอกภาพของอันตรกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างอ่อนและอันตรกิริยาที่พัฒนาขึ้นโดยเชลดอน กลาโชว์, สตีเวน ไวน์เบิร์ก และอับดุส ซาลามในทศวรรษที่ 1960 อันตรกิริยาทางนิวเคลียร์อย่างอ่อน เช่น การสลายตัวของบีตาควรถูกสื่อกลาง
ในทำนองเดียวกันโดยการแลกเปลี่ยนประจุ (W + และW – )และ เป็นกลาง (Z 0 ) โบซอนระดับกลางขนาดใหญ่ สิ่งเหล่านี้ถูกค้นพบอย่างถูกต้องที่ CERN ซึ่งเป็นห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ของอนุภาคในยุโรปใกล้กับเจนีวาในปี 1983 และมีน้ำหนักประมาณ 80 และ 91 GeV c -2ตามลำดับ ดังนั้นปฏิสัมพันธ์
พื้นฐานทั้งหมดจึงมีโครงสร้างที่คล้ายกันมาก แต่คำถามที่ว่าทำไมโบซอนที่อ่อนแอเท่านั้นที่มีมวลมากจึงเป็นปริศนาที่เราจะกลับมา ดังที่กล่าวไปแล้ว อนุภาคมูลฐานชนิดแรกที่สามารถระบุได้คืออิเล็กตรอน ซึ่งมีน้ำหนักประมาณ 0.5 MeV c -2และมีการหมุนภายใน 1/2 ตามมาด้วยการค้นพบอนุภาคอื่นๆ
ที่เรียกว่า เลปตอน ซึ่งไม่รู้สึกถึงปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่รุนแรง: มิวออนที่ไม่เสถียรในปี 1936 (น้ำหนักประมาณ 100 MeV c -2 ) และ ในปี 1975 (ประมาณ 1780 MeV c -2 ) เลปตอนที่มีประจุเหล่านี้แต่ละอันมีนิวตริโนที่ไม่มีประจุที่เกี่ยวข้อง และการทดลองที่เครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนขนาดใหญ่โพซิตรอน
ได้แสดงให้เห็นว่าไม่มีนิวตริโนที่คล้ายกันอีกแล้ว ข้อมูลเครื่องเร่งความเร็วยังได้กำหนดขีดจำกัดบนของมวลที่เป็นไปได้ของนิวตริโน ซึ่งน้อยกว่ามวลของเลปตอนที่มีประจุที่สัมพันธ์กันอย่างมาก การแพร่กระจายของอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์รุนแรงที่เรียกว่าแฮดรอนซึ่งถูกค้นพบตั้งแต่ทศวรรษที่ 1940
เป็นที่ทราบกันดีว่าเป็นสถานะที่รวมเข้าด้วยกันขององค์ประกอบพื้นฐานที่เรียกว่าควาร์ก ตอนนี้เราทราบแล้วว่าควาร์กมีหกประเภทที่แตกต่างกัน และมวลของพวกมันมีตั้งแต่ MeV c -2ไม่กี่ตัวสำหรับควาร์กขึ้นและลงที่ประกอบกันเป็นสสารนิวเคลียร์ทั่วไป ไปจนถึงประมาณ 5 GeV c -2สำหรับควาร์กด้านล่าง
ที่ค้นพบ
ในปี พ.ศ. 2520 ในขณะเดียวกัน ท็อปควาร์ก ซึ่งถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2537 ระหว่างการชนของโปรตอนและแอนติโปรตอนที่ ใกล้เมืองชิคาโก มีน้ำหนักประมาณ 170 GeV c -2 (รูปที่ 1) แม้ว่ากองกำลังนิวเคลียร์อย่างเข้มจะแข็งแกร่งตามชื่อ แต่ก็เป็นที่ทราบกันดีว่าพวกมันจะอ่อนแอลง
เมื่อมีพลังงานสูง ซึ่งสอดคล้องกับระยะทางสั้นๆ คุณสมบัติของ “เสรีภาพเชิงซีมโทติค” นี้เป็นการคาดการณ์ที่สำคัญของ QCD เช่นเดียวกับปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคมูลฐานอื่นๆ QCD คือสิ่งที่เราเรียกว่า “ทฤษฎีมาตรวัด” ทฤษฎีอนุภาคส่วนใหญ่มีความสมมาตร ซึ่งคุณสมบัติของอนุภาค เช่น ประจุและพิกัด
เชิงพื้นที่ สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนการคาดคะเนของทฤษฎี คุณสมบัติพิเศษของทฤษฎีมาตรวัดคือการแปลงเหล่านี้สามารถทำได้โดยอิสระในแต่ละจุดในอวกาศและเวลา สิ่งนี้เป็นไปได้หากอนุภาคการแลกเปลี่ยนที่เป็นสื่อกลางในอันตรกิริยามีการหมุนจำนวนเต็ม กล่าวคือ
ถ้าพวกมันเป็นโบซอน ใน ทฤษฎีมาตรวัดต้นแบบ โฟตอนมีการหมุนเป็น 1 ทฤษฎีมาตรวัดให้คำอธิบายที่สอดคล้องกันของการโต้ตอบของอนุภาคดังกล่าวเท่านั้น ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีโครงสร้างคล้ายกับ QED มาก แต่ด้วยบทบาทของโบซอนไกล่เกลี่ยที่เล่นโดยกราวิตอนซึ่งเข้าใจยาก
การวัดจำนวนมากเหล่านี้มีความแม่นยำถึงหนึ่งในพัน และไม่มีอะไรแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากการคาดคะเนของแบบจำลองมาตรฐาน การคาดการณ์เหล่านี้ต้องการการคำนวณการแก้ไขควอนตัมขนาดเล็กเนื่องจากอนุภาค “เสมือน” ที่ปล่อยออกมาจากอนุภาคและมีอยู่ชั่วขณะก่อนที่จะถูกดูดกลับ
credit : เว็บแท้ / ดัมมี่ออนไลน์
