ฟิสิกส์อนุภาค

*เรื่องนอกกรอบ: เรื่องนี้อยู่นอกกรอบของสารานุกรมนี้ จะมีข้อมูลพื้นฐานเพียงบางส่วนเท่านั้น

ฟิสิกส์อนุภาค หมายถึง ฟิสิกส์ที่สเกลเล็กกว่าโปรตอน หรือ 1 เฟมโตเมตร โดยที่สเกลนี้มีพลังงานสูงสามารถสร้างและทำลายอนุภาคได้ แต่ยังคงมีปริมาณที่อนุรักษ์ เช่น พลังงาน โมเมนตัม ประจุ จำนวนเลปตอน

ฟิสิกส์อนุภาค เป็นสเกลที่เล็กที่สุดของทฤษฎีทางฟิสิกส์ในปัจจุบัน จึงอาจใช้เป็นพื้นฐานในการอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆในสเกลที่ใหญ่กว่าได้ แม้จะมีความยุ่งยาก แต่เป็นแบบจำลองหลักที่ใช้อธิบายได้เกือบทุกสิ่งในจักรวาล ยกเว้นแรงโน้มถ่วง

ปรากฏการณ์ในชีวิตประจำวันส่วนใหญ่ อธิบายได้โดยใช้เพียงอนุภาคอิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน กับ กฎของนิวตันและสมการชเรอดิงเจอร์ หากจำกัดช่วงที่สนใจ

ชนิดของอนุภาค

โปรตอนและนิวตรอนไม่ใช่อนุภาคมูลฐานในฟิสิกส์อนุภาค โดยโปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยควาร์กและกลูออน ซึ่งใช้อธิบายแรงนิวเคลียร์แบบเข้มที่ยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์ของอะตอมได้ นอกจากนี้ ยังมีแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน ซึ่งใช้อธิบายปฏิกิริยานิวเคลียร์ เช่น การสลายตัวของนิวตรอนกลายเป็นโปรตอนและนิวตริโน \( d \to u + W^- \to u + e^- + \bar \nu_e \) แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน ประกอบด้วยอนุภาค 3 ชนิด W⁺, W^-, Z⁰ มีประจุ +1, -1, 0 ตามลำดับ

เมื่อคำนึงถึงทั้งแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน และแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม จะได้อนุภาค 3 ประเภท 8 ชนิด ได้แก่

• ควาร์ก อนุภาคที่มีมวลมาก อัพ(u:up) ดาวน์(d:down)
• เลปตอน อนุภาคที่มีมวลน้อย อิเล็กตรอน(e:electron) และ นิวตริโนของอิเล็กตรอน(ν_e: electron neutrino)
• โบซอน อนุภาคที่เป็นสื่อของแรง โฟตอน(γ:photon), กลูออน(g:gluon), ดับบลิว(W), แซด(Z)

ควาร์ก u	โบซอน g
ควาร์ก d	โบซอน γ
เลปตอน e	โบซอน W
เลปตอน νe	โบซอน Z

นอกจากนี้ยังพบว่าอนุภาคมี 3 รุ่น ควาร์กเปลี่ยนกันได้ด้วยแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน ส่วนนิวตริโนเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาเมื่อเคลื่อนที่

เมื่อนับรวมอนุภาคฮิกส์(H ที่เพิ่งค้นพบเมื่อปี 2012) และกราวิตอน(G สำหรับอนุคารของแรงโน้มถ่วงซึ่งยังไม่ถูกค้นพบ) จะได้อนุภาค 6 ควาร์ก + 6 เลปตอน + 6 โบซอน = 18 ชนิด

ประเภท	ประจุ	Gen 1	Gen 2	Gen 3		โบซอน	โบซอน
ควาร์ก	+2/3	u	c	t		g	H
ควาร์ก	-1/3	d	s	b		γ	G
เลปตอน	-1	e	μ	τ		W
เลปตอน	0	νe	νμ	ντ		Z

หน่วยของพลังค์

มีค่าคงที่สำหรับหน่วย 4 ตัว ได้แก่

• อัตราเร็วของแสง c
• ค่าคงที่ของพลังค์ h
• ค่าคงที่โน้มถ่วง G
• ประจุของอิเล็กตรอน e

ซึ่งทำให้ได้หน่วยเป็น

• มวล \[ m_P = \sqrt{\hbar c/G} = 1.221\times10^{19} \ \mathrm{GeV/c^2} \]
• ความยาว \[ l_p = \frac{\hbar}{m_p c} = 1.616\times10^{-35} \ \mathrm{m} \]
• เวลา \[ t_p = \frac{l_P}{c} = 5.391\times10^{-44} \ \mathrm{s} \]
• ประจุ \[ e = 1.602\times10^{-19} \ \mathrm{C} \]

ค่าคงที่ในฟิสิกส์อนุภาค

เมื่อใช้หน่วยของพลังค์ จะเหลือค่าที่ได้จากการวัดที่ไม่มีหน่วย 25 ตัว สำหรับแบบจำลองของเกือบทุกสิ่งในจักรวาล ได้แก่

• 6 ตัว: มวลของควาร์ก

  Quark mass	mP	GeV/c2
  up	1.9E-22	0.0023
  down	3.9E-22	0.0048
  charm	1.0E-19	1.3
  strange	8.2E-21	0.10
  top	1.4E-17	172
  bottom	3.4E-19	4.2

• 4 ตัว: การปนของควาร์ก (quark mixing) หรือ Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (CKM) matrix

  Mixing angle	Radian	Degree
  θ12	0.23	13.1°
  θ23	0.042	2.4°
  θ13	0.0035	0.2°
  phase	0.995	57°

• 6 ตัว: มวลของเลปตอน

  Lepton mass	mP	GeV/c2
  electron	4.185E-23	0.000511
  muon	8.654E-21	0.107
  tau	1.455E-19	1.780
  electron neutrino	0?	<2E-9
  muon neutrino	0?	<2E-9
  tau neutrino	0?	<2E-9

• 4 ตัว: การปนของนิวตริโน (neutrino mixing) หรือ Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS) matrix

  Mixing angle	Radian	Degree
  θ12	0.59	34°
  θ23	0.82	47°
  θ13	0.15	8.5°
  phase	4.1	234°

• 5 ตัว: ความเข้มของแรง

  Carrier	α,mP	GeV/c2
  Fine structure constant (Photon)	0.00729735 = 1/137.036	0
  Strong coupling constant (Gluon)	≈1	0
  W boson mass	6.58E-18	80.4
  Z boson mass	7.47E-18	91.2
  Higgs boson mass	1.02E-17	125.1

อนุภาคและค่าคงที่เหล่านี้ (ไม่รวมแรงโน้มถ่วง) ถูกใช้ในแบบจำลองมาตรฐาน (Standard model) ของฟิสิกส์อนุภาค อย่างไรก็ตาม ยังมีทฤษฎีอื่นๆ ที่พยายามรวมหรือเพิ่มตัวแปรอื่นหรืออธิบายปรากฏการณ์ที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐานนี้ เช่น สตริง สสารมืด พลังงานมืด แรงโน้มถ่วงเชิงควอนตัม สัมพัทธภาพทั่วไป

ค่าคงที่ในสารานุกรมอนันญา

ในระบบหน่วยที่ใช้ ยังคงอ้างอิง 3 สิ่งเหมือนกับหน่วยของพลังค์

• อัตราเร็วของแสง c (m/s เมตรต่อวินาที)
• ค่าคงที่ของพลังค์ h (Js จูลคูณวินาที)
• ประจุของอิเล็กตรอน e (C คูลอมบ์)

แต่อ้างอิงเวลาจากอะตอม แทนที่จะอ้างอิงค่าคงที่โน้มถ่วง G

• พลังงานระหว่าง 1S และ 2S ของอะตอมของไฮโดรเจน 2466 THz (รอบต่อวินาที)

เมื่อพิจารณาเฉพาะอิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน นิวเคลียร์ของอะตอม แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงโน้มถ่วง จึงเหลือค่าคงที่เพียง 6 ค่า ได้แก่

• ค่าคงที่แรงแม่เหล็กไฟฟ้า α = 1/137.03599084
• ค่าคงที่โน้มถ่วง G = 6.674E-11 N m2/kg2
• มวลของอิเล็กตรอน m_e = 0.5109989500 MeV/c2
• มวลของโปรตอน m_p = 938.272088 MeV/c2
• มวลของนิวตรอน m_n = 939.565420 MeV/c2
• มวลของหน่วยอะตอม m_amu = 931.494102 MeV/c2

ทั้งนี้อาจใช้มวลของอิเล็กตรอนเป็นหน่วยอ้างอิงได้ และประมาณ m_p = m_n = m_amu = 1830m_e จะเหลือค่าคงที่เพียง 3 ค่า ได้แก่

• ค่าคงที่แรงแม่เหล็กไฟฟ้า α = 1/137.0
• ความเร่งโน้มถ่วงที่ผิวโลก g = 9.80 m/s2
• สัดส่วนมวลโปรตอนต่ออิเล็กตรอน m_amu/m_e = 1830

โดยจะมีความคลาดเคลื่อน

• 1E-15 หากอ้างอิงเวลาจากอะตอม
• 1E-9 จากการความคลาดเคลื่อนในการวัดมวลของอิเล็กตรอนด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน
• 1E-9 จากการความคลาดเคลื่อนในการวัดความเร่งโน้มถ่วงที่ผิวโลก
• 0.001% จากการใช้มวลของอิเล็กตรอนตำนวณพลังงานของอะตอมของไฮโดรเจนโดยไม่คำนึงถึงผลเชิงสัมพัทธภาพ
• 0.01% จากความคลาดเคลื่อนในการวัดค่าคงที่โน้มถ่วง
• 0.03% จากการประมาณค่าคงที่แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเหลือ 4 หลัก
• 0.1% จากการประมาณความเร่งโน้มถ่วงบนผิวโลกเหลือ 3 หลัก
• 0.3% จากการประมาณความเร่งโน้มถ่วงเท่ากันทุกแห่งบนผิวโลก
• 0.4% จากการประมาณมวลของโปรตอนเป็นหน่วยอะตอม