แบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model)

แบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคมูลฐาน โดยมี เกจโบซอน อยู่ทางขวาสุด
http://th.wikipedia.org/wiki

แบบจำลองมาตรฐาน(Standard Model) เป็นทฤษฎีที่ดีที่สุดในปัจจุบันสำหรับอธิบายแรงพื้นฐานสามชนิดในธรรมชาติ (ไม่รวมแรงโน้มถ่วง) ตลอดถึงอนุภาคมูลฐานที่มีผลกระทบอยู่ในแรงพื้นฐานเหล่านั้น อนุภาคเหล่านี้ประกอบกันขึ้นเป็นสสารที่เรามองเห็นได้ในเอกภพ มีการทดลองฟิสิกส์พลังงานสูงมาก มายนับแต่ช่วงกลางคริสต์ศตวรรษที่ 20 ที่เผยให้เห็นความสอดคล้องระหว่างการทดลองกับแบบจำลองมาตรฐาน แต่แบบจำลองมาตรฐานนี้ก็ยังไม่อาจจัดเป็นทฤษฎีแห่งสรรพสิ่งได้ เพราะมันยังไม่สามารถอธิบายแรงโน้มถ่วง สสารมืด หรือพลังงานมืดได้ นอกจากนี้ยังไม่มีคำอธิบายที่หมดจดสำหรับเลปตอนด้วย เพราะยังไม่สามารถอธิบายถึงสภาวะมวลนิวตริโนที่ไม่เท่ากับศูนย์

แบบจำลองมาตรฐานประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน 61 ชนิด ดังนี้

แบบจำลองมาตรฐาน ของนักฟิสิกส์อนุภาค เป็นทฤษฎีที่ได้มีการทดสอบและยืนยันถึงความถูกต้องจากการทดลองมากมาย และสามารถนำไปอธิบายหรือทำนายปรากฏการณ์ต่างๆ ในระดับอนุภาคมูลฐานได้อย่างแม่นยำ แบบจำลองมาตรฐานจึงถือได้ว่าเป็นแม่แบบพื้นฐานในการศึกษา ค้นคว้า วิจัย ต่อยอด ความรู้ในสาขานี้ตั้งแต่อดีตมาจนถึงปัจจุบัน

ในแบบจำลองมาตรฐาน องค์ประกอบมูลฐานของสสารในจักรวาลสามารถแบ่งออกได้สองชนิด ได้แก่ เลปตอน (lepton) และ ควาร์ก (quark) ในขณะที่แรงพื้นฐานในจักรวาล 3 แรง (แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม และ แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน) มีอนุภาคที่ทำหน้าที่เป็นสื่อนำแรงที่เรียกว่า อนุภาคสื่อนำแรง (force mediator) ซึ่งอนุภาคมูลฐานเหล่านี้ มีมวล ประจุ และสปิน (spin) ต่างๆ กัน ดังแสดงในตารางด้านล่าง

ตารางแสดงอนุภาคมูลฐานในทฤษฎี Standard Model ซึ่งมี 3 ประเภทใหญ่ ได้แก่ ควาร์ก เล็ปตอน และ สื่อนำแรงโบซอน

http://en.wikipedia.org/wiki/Elementary_particle

อนุภาคที่มีสปิน 1/2 อย่างอิเล็กตรอน (e) มิวออน (μ) ทาวออน (τ) อยู่ในกลุ่มของอนุภาคที่เรียกว่า "อนุภาคเฟอมิออน" (Fermion) เพราะอนุภาคเหล่านี้มีธรรมชาติเป็นไปตามทฤษฎีทางสถิติแบบเฟอร์มี่ดิแรก หรือ Fermi-Dirac Statistics (ซึ่งจะไม่กล่าวถึงรายละเอียดในที่นี้) จากตารางในภาพที่ 16 จะเห็นได้ว่า นอกจาก เลปตอนแล้ว ควาร์กประเภทต่างๆ ล้วนเป็นอนุภาคเฟอมิออน

ส่วนอนุภาคที่มีสปิน 1 อย่างเช่น โฟตอน (γ) กลูออน (g) Z โบซอน และ W±โบซอน อยู่ในกลุ่มของอนุภาคที่เรียกว่า "อนุภาคโบซอน" (Boson) เพราะอนุภาคเหล่านี้มีธรรมชาติที่เป็นไปตามทฤษฎีทางสถิติแบบโบสไอน์สไตน์ หรือ Bose-Einstein Statistics ซึ่งจากตาราง จะเห็นได้ว่า อนุภาคโบซอนล้วนเป็นอนุภาคสื่อนำแรงมูลฐานทั้ง 3 แรง

ในด้านทฤษฎีบท ทฤษฎีเสาหลักของแบบจำลองมาตรฐาน ที่ใช้อธิบายพฤติกรรมและอันตรกิริยาต่อกันของอนุภาคมูลฐานต่างๆ คือ ทฤษฎี Electroweak Theory และ Quantum Chromodynamics (QCD) ซึ่งเป็นทฤษฎีสองทฤษฎีที่อาศัยหลักการทางคณิตศาสตร์ด้านทฤษฎีกลุ่ม (Group Theory) สำหรับการอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ในระดับอนุภาคมูลฐาน

ภาพแสดงแรงมูลฐานทั้งสี่แรง การรวมเป็นแรงเดียวกัน พร้อมชื่อทฤษฎีที่ใช้อธิบาย

http://cern.ch

แบบจำลองมาตรฐานได้รับการยืนยันความถูกต้องด้วยผลการทดลองในระดับความผิด พลาดหนึ่งในพันล้านส่วน ทำให้นักฟิสิกส์สามารถกล่าวได้ว่า พวกเขาได้ทฤษฎีที่เกือบจะสมบูรณ์แบบ สำหรับอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ในระดับอะตอมและเล็กลงไปถึงองค์ประกอบมูลฐาน ( โดยไม่คำนึงถึงแรงโน้มถ่วง)

ข้อมูลจาก
http://th.wikipedia.org/wiki
http://school.scimath.org/index.php

 ควาร์ก (Quark)

ควาร์ก คือ ชื่อเรียกอนุภาคมูลฐานที่เป็นหน่วยเล็กที่สุดจริง ๆ ของสสารตามทฤษฎีใหม่ขององค์ประกอบของสสารควาร์ก ถูกค้นพบจากการทดลองยิงโปรตอนชนโปรตอนแล้วได้อนุภาคควาร์กออกมา ควาร์กมีประจุที่เรียกว่า “สี” มี 3 ประจุสี คือ แดง น้ำเงิน เขียว เมื่อรวมกันจะมีความเป็นกลางทางประจุกลายเป็นไม่มีสี คล้ายกันการรวมกันของประจุไฟฟ้าบวกและลบ เราจะไม่เห็นควาร์กแยกกันเป็นอิสระ เนื่องจากมีอนุภาคกลูออน (gluon) ที่นำพาแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มเชื่อมควาร์กเข้าด้วยกัน ปัจจุบันมี การค้นพบควาร์ก 6 ตัว คือ up quark, down quark, strange quark, charmed quark, bottom quark และ top quark โดยนิวตรอนและโปรตอนเกิดจากการรวมกันของควาร์ก นิวตรอนประกอบด้วย up quark 1 ตัว และ down quark 2 ตัว ส่วนโปรตอนประกอบด้วย up quark 2 ตัว และ down quark 1 ตัว

http://www.weekendhobby.com/offroad/newenergy/question.asp?page=2&ID=1080

ควาร์ก(อังกฤษ: quark อ่านว่า /kwɔrk/ หรือ /kwɑrk/) คืออนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอม ตัวอย่างคือเมื่อมีสิ่งๆหนึ่งล่วงล้ำเข้าสู่อาณาเขตของหลุมดำ หากมันมีความเร็วน้อยกว่าหรือเท่ากับแสง มันจะถูกดูดและบดขยี้ทันที โดยจะถูกบดจนกลายเป็นอะตอม และถูกบดอีกจนกลายเป็นควาร์ก และไม่สามารถแยกย่อยได้อีก ถือเป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็กที่สุดในจักรวาล นี่เป็นตัวอย่างหนึ่งของความเข้าใจของนักวิทยาศาสตร์ซึ่งได้รับการพิสูจน์แล้ว และอาจเป็นบันไดสู่เทคโนโลยีในอนาคต

Murry Gell-Mannได้เสนอแนวคิดขึ้นมาว่า มีอนุภาคที่เป็นพื้นฐานของ Hardrons อยู่และเรียกพวกมันว่าควาร์ก (Quark)(คำว่า quark (เสียงนกนางนวล) มาจากบทประพันธ์เรื่อง Finnegans Wake ของ James Joyce ในวลีที่ว่า "Three quarks for Muster Mark!") และ ในปี ค.ศ. 1964 Gell-Mann และGeorge Zweigได้ทำการทดลองยิงอนุภาคโปรตอนความเร็วสูงไปชนกันให้แตกสลาย และพบอนุภาคที่เขาเรียกว่าควาร์กจริงๆ โดยที่ Gell-Mann พบว่า โดยการจับกลุ่มอย่างง่ายๆ ด้วยควาร์ก 3 อนุภาค (three quarks) และ ต่อมาก็พบอนุภาคที่ประกอบด้วยควาร์ก 2 อนุภาคด้วย แนวคิดนี้ ทำให้เขาสามารถอธิบายอนุภาคจำนวนพวกฮาดรอนเป็นร้อยๆ ชนิดที่พบในห้องทดลองได้อย่างน่าอัศจรรย์ และที่สำคัญคือยังทำนายถึงการมีอยู่ของอนุภาคที่ยังค้นไม่พบได้อีกด้วย และก็ทำให้ Gell-Man ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากการเสนอแนวคิดที่สวยงามนี้ ตามระเบียบ

Murry Gell-Mann
http://the-history-of-the-atom.wikispaces.com/Murray+Gell-Mann

George Zweig

http://alicematters.web.cern.ch/?q=GeorgeZweig_ALICE

อนุภาคควาร์ก มีด้วยกัน 3 คู่ คู่ที่เล็กที่สุดมีชื่อเรียกว่าUp Quark(แปลว่า ควาร์ก "ขึ้น") และDown Quark(แปลว่า ควาร์ก "ลง") ซึ่งค้นพบจากการให้โปรตอนพลังงานสูงวิ่งชนกัน โดยที่ควาร์กดังกล่าวมีมวลและประจุไฟฟ้าตามตารางที่1และพบว่าโปรตอนเกิดจากการรวมกันของควาร์กดังนี้คือ u + u + d ทำให้ประจุไฟฟ้าของโปรตอนเป็น 2/3+2/3-1/3 = +1e พอดี ส่วนนิวตรอนเกิดจากการรวมกันของ u + d + d ถ้าบวกประจุของควาร์กทั้งสามตัวดู จะพบว่าประจุรวมเป็นศูนย์พอดี ปฏิอนุภาคของนิวตรอนหรือแอนไทนิวตรอนประกอบด้วย แอนไทควาร์กสามอนุภาค คือ anti u + anti d + anti d ประจุรวมเป็น -2/3 + 1/3 + 1/3 = 0 ดังนั้น แอนไทนิวตรอนจึงเป็oกลางทางไฟฟ้าเหมือนกับนิวตรอ

ประจุไฟฟ้าและมวลของควาร์ก

ควาร์กคู่ถัดมามีลักษณะคล้ายกับคู่แรกแทบจะทุกประการยกเว้นมีมวลมากกว่า มีชื่อเรียกว่าStrange Quark(แปลว่า ควาร์ก "ประหลาด") และCharm Quark(แปลว่า ควาร์ก "น่ารัก") ซึ่งพบจากเศษซากของการชนในเครื่องเร่งอนุภาค และถือเป็นเรื่องที่แปลกเหมือนกันว่า ทำไมธรรมชาติสร้างสิ่งที่ซ้ำซ้อนขึ้นมาได้โดยให้ให้แตกต่างกันเฉพาะมวลเท่า นั้น

อารมณ์ขันของนักฟิสิกส์กับการตั้งชื่อควาร์ก

http://www.school.net.th/schoolnet/article/read.php?article_id=378

ควาร์กคู่ถัดมาคือBottom Quark(แปลว่า ควาร์ก "ล่าง" ถ้าดูในรูปที่3บางทีฝรั่งใช้คำว่า Bottom ที่หมายถึง "ก้น") และTop Quark(แปลว่า ควาร์ก "บน") เมื่อดูคุณสมบัติแล้วก็พบว่าเหมือนกันสองรุ่นแรกแทบจะทุกประการยกเว้นแต่เรื่องมวลเท่านั้น ดูรูปที่4จะสังเกตเห็นว่า การตั้งชื่อควาร์ก นำเอาคำคุณศัพท์และคำบุพบท มาใช้ โดยที่Up = ขึ้น, Down = ลง, Strange = ประหลาด, Charm = น่ารัก, Top = บน, Bottom = ล่าง

ควาร์กมีสี:

อนุภาคควาร์กนั้น อาจจะมองได้ว่ามี6รส (flavors)นั่นคือUp , Down , strange , Charm , Top , Bottomขณะที่แต่ละรส มี3สี(color)คือแดง เขียว น้ำเงิน(สีของแม่สีทางแสงสี) เช่น โปรตอนเกิดจาก d-สีแดง + u-สีเขียว + u-สีน้ำเงิน ดังรูปที่5 - 6ซึ่งสีของควาร์กทั้งสามตัวรวมกันแล้วต้องเป็นสีขาว(ตามหลักการรวมกันของแสงสี) รวมแล้วก็เป็นควาร์ก 18 ชนิด และปฏิอนุภาคของควาร์กนั้น ก็จะมีสีตรงข้าม แสงสีที่เป็นสีตรงข้ามของแสงสีแดงคือแสงสีน้ำเงินเขียว แสงสีที่เป็นสีตรงข้ามของแสงสีเขียวคือแสงสีแดงม่วง และแสงสีที่เป็นสีตรงข้ามของแสงสีน้ำเงินคือแสงสีเหลือง ดังนั้น ปฏิอนุภาคของควาร์กก็จะมี6รสนั่นคือAnti-Up , Anti-Down , Anti-strange , Anti-Charm , Anti-Top , Anti-Bottomและแต่ละรส มี3สี (color)คือแดงม่วง น้ำเงินเขียวเหลืองจริงๆแล้ว ควาร์กมีสีหรือไม่ ไม่มีใครทราบ แต่การใช้สีสามารถอธิบายการรวมกันของควาร์กกลายเป็นอนุภาคพวกฮาดรอนได้อย่าง น่าอัศจรรย์ รวมแล้วจึงมีควาร์กทั้งหมดอยู่ 36 ชนิด ในการศึกษาเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐานเหล่านี้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างรูปแบบของการเกิดของจักรวาลของเราได้เลยทีเดียว 

ข้อมูลจาก
http://www.school.net.th/schoolnet/article/read.php?article_id=378
http://alicematters.web.cern.ch/?q=GeorgeZweig_ALICE
http://the-history-of-the-atom.wikispaces.com/Murray+Gell-Mann
http://www.weekendhobby.com/offroad/newenergy/question.asp?page=2&ID=1080

นิวตริโน (Neutrino)

นิวตริโน(Neutrino) เป็นอนุภาคมูลฐาน ไม่มีประจุไฟฟ้า และสามารถเคลื่อนผ่านสสารทั่วไปได้โดยแทบไม่รบกวนหรือไม่สามารถตรวจจับได้ ใช้สัญลักษณ์แทนด้วยอักษรกรีกว่า(นิว)

นิวตริโนเกิดขึ้นมาจากผลลัพธ์ส่วนหนึ่งที่เป็นผลตกค้างจากกัมมันตรังสีหรือปฏิกิริยานิวเคลียร์ เช่นพวกที่เกิดขึ้นในดวงอาทิตย์ ในโรงปฏิกรณ์นิวเคลียร์ หรือเมื่อรังสีคอสมิกชนกับอะตอม นิวตริโนมีอยู่ 3 ชนิด หรือ "เฟลเวอร์" ได้แก่ อิเล็กตรอนนิวตริโน มิวออนนิวตริโน และทาวนิวตริโน แต่ละประเภทจะมีคู่ปฏิสสารของตัว เรียกว่า แอนตินิวตริโน อิเล็กตรอนนิวตริโนกับแอนตินิวตริโนจะเกิดขึ้นเมื่อนิวตรอนเปลี่ยนไปเป็นโปรตอน หรือเมื่อโปรตอนเปลี่ยนมาเป็นนิวตรอน โดยทั่วไปปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับนิวตริโนมักเกิดจากแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน

นิวตริโนส่วนมากที่วิ่งผ่านโลกเป็นอนุภาคที่แผ่ออกมาจากดวงอาทิตย์ ทุกๆ วินาทีมีอิเล็กตรอนนิวตริโนจากดวงอาทิตย์กว่า 50 ล้านล้านหน่วยเคลื่อนผ่านร่างกายของมนุษย์
ภาพตัวอย่างปฏิกิริยานิวเคลียร์บนดวงอาทิตย์ ช่วง Proton-Proton chain โดยเป็นการรวมไฮโดรเจน 2 อะตอมเป็น ดิวทิเรียม H2 ซึ่งจะได้ นิวตริโน โปรซิตรอน และ พลังงาน ออกมา

http://www.darasart.com/webboard/Question.asp?GID=3228

ประวัติการค้นพบนิวตริโน

การศึกษานิวตริโนสืบเนื่องจากปัญหาเริ่มในช่วงปี พ.ศ. 2473 นักฟิสิกส์ไม่สามารถอธิบายถึงความไม่สมดุลของพลังงานในกระบวนการสลายตัวของ นิวเคลียสแบบเบตา (Beta decay) ซึ่งเป็นกระบวนสำคัญในการก่อกำเนิดพลังงานของดวงอาทิตย์ และกระบวนการที่ทำให้เกิดการแตกสมมาตรของสสารและปฏิสสารในจักรวาล นักฟิสิกส์ต้องฉงนกับพลังงานส่วนหนึ่งที่หายไปในกระบวนการดังกล่าว เพราะจากกฎการอนุรักษ์พลังงาน (Conservation of Energy) พลังงานที่ได้ก่อนและหลังการสลายตัวต้องเท่ากัน การต้องประสบกับความไม่สมดุลของพลังงานดังกล่าวนี้เกือบทำให้นักฟิสิกส์ชาว เดนมาร์กผู้ยิ่งใหญ่อย่าง Niels Bohr ถึงกับคิดจะล้มเลิกกฎการอนุรักษ์พลังงานไปเลยทีเดียว

อย่างไรก็ดี Wolfgang Pauli นักฟิสิกส์ชาวออสเตรียผู้มีชื่อเสียงอีกคน ได้เสนอแนวทางการแก้ปัญหาขึ้นมาว่า พลังงานส่วนที่ขาดหายไปนั้น น่าจะเกิดจากการที่มีอนุภาคชนิดหนึ่งนำพาออกไป อนุภาคดังกล่าวนั้นต้องมีขนาดเล็กมากๆ และไม่มีมวล ไม่มีประจุ เพราะเราไม่สามารถตรวจวัดได้ มันมีเพียงแต่พลังงานและโมเมนตัม

Niel Bohr Wolfgang Pauli Enrico Fermi

http://www.nobelprize.org

ข้อเสนอของ Pauli ได้รับการสนับสนุนเป็นอย่างดีจาก Enrico Fermi นักฟิสิกส์อัจฉริยะชาวอิตาเลียน ที่เห็นด้วยว่า พลังงานที่หายไปนั้น น่าจะมาจากการที่อนุภาคชนิดใหม่ที่เป็นกลางและมีมวลน้อยมากๆ จนเกือบเป็นศูนย์ เป็นตัวนำพลังงานนั้นออกไป โดย Fermi ได้เรียกอนุภาคใหม่ที่ Pauli สมมติขึ้นมาว่า “นิวตริโน (neutrino)” (ซึ่งในภาษาอิตาเลียนแปลว่า ตัวเล็กที่เป็นกลาง)

โวล์ฟกัง เพาลี (Wolfgang Pauli) ได้ตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับนิวตริโนขึั้นในปี 1930 เพื่ออธิบายวิธีการสลายให้อนุภาคบีตาในการอนุรักษ์พลังงาน, โมเมนตัม, และโมเมนตัมเชิงมุม (สปิน) ในทางตรงกันข้ามกับ นีลส์ บอร์ ผู้เสนอเวอร์ชันทางสถิติของกฎการอนุรักษ์ที่จะอธิบายถึงปรากฏการณ์ เพาลีตั้งสมมติฐานของอนุภาคที่ไม่สามารถตรวจพบได้นั้นเขาเรียกมันว่า "นิวตรอน" สอดคล้องกับกฏกติกาสัญญาที่ใช้สำหรับการตั้งชื่อทั้งโปรตอนและอิเล็กตรอน, ซึ่งในปี 1930 เป็นที่รู้จักกันว่าเป็นผลิตผลที่เกี่ยวข้องสำหรับการสลายให้อนุภาคอัลฟาและบีตา

++e

เจมส์ แชดวิก(James Chadwick) ได้ค้นพบอนุภาคนิวเคลียร์ที่มีมวลหนักแน่นเพิ่มเติมในปี 1932 และตั้งชื่อให้มันว่านิวตรอน, แยกออกมาจากอนุภาคสองชนิดที่มีชื่อเดียวกันเอนรีโก แฟร์มีผู้พัฒนาทฤษฎีของการสลายให้อนุภาคบีตาเป็นผู้ที่บัญญัติศัพท์คำว่านิวตริโน(neutrino)

การทดลองค้นหานิวตริโน

นิวตริโนทุกชนิดจะมีคู่ปฏิอนุภาคของพวกมันเอง ยกตัวอย่างเช่น อิเลคตรอนนิวตริโน ซึ่งจะเกิดคู่ปฏิอนุภาคขึ้นเมื่อนิวตรอนเปลี่ยนไปเป็นโปรตรอน หรือกรณีย้อนกลับเมื่อโปรตรอนเปลี่ยนกลับมาเป็นนิวตรอน จึงทำให้เกิดข้อสังเกตุว่า การเกิดของนิวตริโนนั้นส่วนใหญ่จะเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาของแรงนิวเคลียร์ แบบอ่อน

ห้องทดลองตรวจวัดนิวตริโนที่มาจากนอกโลก
http://www.wifi-th.com/b54/%28neutrino%29

สำหรับ ผู้ที่ค้นพบนิวตริโนนั้นก็คือ Wolfgang Pauli นักฟิสิกส์ชาวสวิส ผู้พิชิตรางวัลโนเบลประจำปี 1945 โดยเขาได้ค้นพบการมีอยู่ของนิวตริโนในปี 1930จากผลการวิเคราะห์การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีที่ให้อนุภาคอิเล็กตรอน ซึ่งผลการศึกษาทำให้เขาไม่เข้าใจ เพราะพบว่าผลของการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ดังกล่าว ได้ทำลายกฎความถาวรของพลังงานและโมเมนตัม ทั้งนี้เพราะทั้งพลังงานและโมเมนตัม ของนิวเคลียสและอิเล็กตรอนหลังปฏิกิริยาเมื่อรวมกัน จะไม่เท่ากับพลังงานและโมเมนตัมของนิวเคลียสก่อนปฏิกิริยา ซึ่งไม่น่าจะเป็นไปได้ ด้วยเหตุนี้ Pauli จึงจำต้องสมมุติว่า ขณะนิวเคลียสสลายตัวให้อนุภาคอิเล็กตรอน ได้มีอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากตัวหนึ่งเกิดตามออกมาด้วย ซึ่งอนุภาคนี้ไม่มีมวลและไม่มีประจุใดๆ แต่มีโมเมนตัมและพลังงาน ทั้งนี้ก็เพื่อให้พลังงานและโมเมนตัมของนิวเคลียสเดิมไม่หายไป ทำให้กฎการทรงพลังงานและโมเมนตัมยังคงเป็นจริง โดย Pauli ได้เรียกอนุภาคสมมุติตัวนี้ว่า นิวตรอน (neutron) แต่เขาไม่กล้าตีพิมพ์ผลงาน เพราะเกรงจะได้รับการดูแคลนจากบรรดานักฟิสิกส์ทั่วไป

จนอีกสามปีต่อ มา ชื่อนิวตรอนก็ได้ถูกนำไปเรียกอนุภาคตัวใหม่ที่ James Chadwick พบ ซึ่งอนุภาคนี้เป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุ แต่มีมวลมากกว่าโปรตอนเล็กน้อย และในปี 1934 นี้เองที่ Enrico Fermi ก็ได้ใช้แนวคิดของ Pauli สร้างทฤษฎีการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี ที่ให้รังสีบีตา (beta) โดย Fermi ได้เรียกอนุภาคของ Pauli ใหม่ว่า นิวตริโน (neutrino) ซึ่งแปลว่า อนุภาคขนาดจิ๋วที่ไม่มีประจุไฟฟ้าใดๆ ทฤษฎีนี้ได้ถูกใช้อธิบายปรากฏการณ์กัมมันตรังสีได้ดีมาก จนทำให้ Fermi ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1954ทั้งๆ ที่ยังไม่มีใครเห็นอนุภาคนิวตริโนเลยในขณะนั้น แต่นักฟิสิกส์ทุกคนก็รู้ว่าอนุภาคในจินตนาการของ Pauli และ Fermi มีจริง และเนื่องจากการมีมวลน้อยและไร้ประจุของนิวตริโนนี้เองที่ทำให้ยากที่จะตรวจ จับได้ กระทั่งเวลาล่วงเลยผ่านไปถึงปี 1995จึงเริ่มมีการสร้างโครงการตรวจจับอนุภาคนิวตริโนขึ้น

โดยเมื่อวันที่ 11 พฤศจิกายน พ.ศ. 1995 ได้มีพิธีเปิดห้องทดลอง Super Kamiokande ขึ้นที่เหมืองตะกั่วแห่งหนึ่งซึ่งตั้งอยู่ห่างจากกรุงโตเกียวไปทางทิศตะวัน ตก 300 กิโลเมตร ห้องทดลองนี้อยู่ใต้ดินที่ระดับลึก 1 กิโลเมตร ภายในห้องมีถังบรรจุน้ำปริมาตร 50,000 ลูกบาศก์เมตร บริเวณรอบๆ ถังมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นหลอด photomultiplier จำนวน 11,200 หลอดเรียงรายโดยรอบ ซึ่งทำหน้าที่ตรวจจับแสงที่จะแว้บออกมาเมื่ออนุภาคนิวตริโนจากดวงอาทิตย์ พุ่งชนโปรตอนของนํ้าในถัง นักฟิสิกส์คิดว่าผลการทดลองนี้จะตอบคำถามที่มีความสำคัญสุดๆ คำถามหนึ่งของฟิสิกส์ได้ว่า จักรวาลของเราจะหยุดขยายตัวเมื่อไรหรือไม่ โดยหาก Super kamiokande ตรวจพบว่าอนุภาคนิวตริโนมีมวล อนุภาคนิวตริโนจำนวน 1087 ที่มีในจักรวาล ก็จะหนักเพียงพอสำหรับการดึงดูดกันแล้วทำให้จักรวาลหยุดขยายตัว อนึ่งถังทดลองของญี่ปุ่นนี้มีขนาดใหญ่กว่าถังของอเมริกาถึง 7 เท่า จึงเป็นที่คาดหวังว่า จะได้ข้อมูลเกี่ยวกับอนุภาคนิวตริโนมากกว่าเก่าคือ อาจจะเห็นปฏิกิริยานิวตริโนได้ถึง 30 ปฏิกิริยาต่อวัน จากเดิมที่เคยเห็นเพียง 1 ปฏิกิริยาในเวลา 3 วัน โดยผังโครงสร้างของระบบ Super Kamiokande

จะเห็นได้ว่า ความรู้เกี่ยวกับนิวตริโนที่หลายท่านอาจจะรับรู้มาแต่เดิมนั้น คงจะต้องปรับเปลี่ยนใหม่หมด เนื่อกจาก ความสำคัญของอันตรกิริยาที่นิวตริโนสามารถมีต่อจักรวาลได้ดังกล่าว จึงทำให้ความคิดที่ว่า นิวตริโนเป็นเหมือนอนุภาคมายาหรืออนุภาคผีที่ไม่มีตัวตน ไม่สามารถทำปฏิกิริยาหรือมีผลใดๆ ต่อสสารนั้น อาจจะไม่เป็นอย่างที่เคยรู้กันแล้ว โดยเฉพาะในปัจจุบันนั้น นักฟิสิกส์ได้สรุปกันอย่างเป็นเอกฉันท์แน่นอนแล้วว่า นิวตริโนเป็นอนุภาคที่มีมวล และนั่นก็หมายความว่า นักฟิสิกส์ทฤษฎีจะต้องค้นหาสาเหตุต่อไปว่า เหตุใดนิวตริโนต่างชนิดกัน จึงมีมวลไม่เท่ากัน และอะไรทำให้มันแปลงรูป รวมทั้งต้องหาคำตอบด้วยว่า มันเปลี่ยนรูปร่างบ่อยเพียงใด และเหตุใดมันจึงมีพลังงานต่างๆ กัน ส่วนนักดาราศาสตร์นั้น ก็รู้สึกเป็นสุขที่นิวตริโนมีมวล เพราะได้รู้ว่าทฤษฎีโครงสร้างดวงอาทิตย์ ที่เรารู้ทุกวันนี้ยังถูกต้อง และรู้ว่าสสารมืด (dark matter) มีนิวตริโนเป็นองค์ประกอบแต่เพียงน้อยนิดเท่านั้น ดังนั้นเราจึงเห็นได้ว่า ถึงแม้วันเวลาจะผ่านไปถึง 71 ปี นับตั้งแต่วันที่ Pauli ให้กำเนิดนิวตริโน แต่นักฟิสิกส์ก็ยังคงศึกษานิวตริโนต่อไป

รวบรวมจาก
http://www.darasart.com/webboard/Question.asp?GID=3228
http://en.wikipedia.org/wiki/Neutrino
http://www.wifi-th.com/b54/%28neutrino%29

เล็ปตอน (Leptons)

อนุภาคมูลฐาน (Fundamental Particle) เป็นหน่วยเล็กที่สุดของอะตอมที่เชื่อว่าแบ่งต่อไปอีกไม่ได้ มีทั้งหมด 16 ชนิด แบ่งออกเป็นเฟอร์มิออน(fermion) หรืออนุภาคสสาร และโบซอน(Boson) หรืออนุภาคนำพาแรง (force carrier)

เฟอร์มิออนนั้นแบ่งเป็น 2 ประเภท (class) ได้แก่ ควาร์ก (Quark) และ เลปตอน (Lepton)ซึ่งแต่ละประเภทแบ่งได้ 6 ชนิด
-ควาร์กแบ่งเป็น อัพควาร์ก (up quark) ดาวน์ควาร์ก (down quark) ชาร์มควาร์ก (charm quark) สแตรนจ์ควาร์ก (strange quark) ท็อปควาร์ก (top quark) และ บัตทอมควาร์ก (buttom quark)
-เลปตอนแบ่งเป็น อิเล็กตรอนนิวทริโน (electron neutrino) อิเล็กตรอน (electron) มิวออนนิวทริโน (muon neutrino) มิวออน (muon) ทาวนิวทริโน (tau neutrino) และทาว (tau)

ส่วนโบซอนนั้นแบ่งออกได้ 4 ชนิด คือ โฟตอน (photon) กลูออน (gluon) แซดโบซอน (Z boson) และ ดับเบิลยูโบซอน (W boson)

ตารางแสดงอนุภาคมูลฐานในทฤษฎี Standard Model ซึ่งมี 3 ประเภทใหญ่ ได้แก่ ควาร์ก เล็ปตอน และ สื่อนำแรงโบซอน

http://en.wikipedia.org/wiki/Elementary_particle

คำว่า "เลปตอน" ( lepton) เป็นภาษากรีกที่มักใช้ในความหมายว่า เล็ก จิ๋ว แบบบาง เรียว สำหรับในทางฟิสิกส์มีการใช้คำว่า "เลปตอน "อย่างเป็นทางการในปี ค.ศ. 1948 เพื่อใช้เรียก อนุภาคมูลฐานที่ไม่เกิดอันตรกิริยานิวเคลียร์อย่างเข้ม เลปตอนเป็นกลุ่มอนุภาคที่อยู่ด้วยกันภาย ใต้สมดุลเลขควอนตัม( quantum number)ที่เรียกว่า "เลขรส" ของเลปตอน( lepton flavor number) และมีเลขสปิน ( spin number) เป็นจำนวนเศษส่วน แรงที่เกี่ยวข้องกับเลปตอนคือแรงโน้มถ่วง (gravitational force) แรงแม่เหล็กไฟฟ้า ( electromagnetic force) และแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน ( weak nuclear force) เลปตอนพบอยู่อนุภาคเดี่ยวๆ รวมอนุภาคและปฏิยานุภาค ทั้งหมดของเลปตอนมี 12 อนุภาค ดังตาราง

เลปตอนแบ่งได้เป็น 2 กลุ่มตามประจุไฟฟ้า คือกลุ่มที่มีประจุไฟฟ้าเป็น -1กับกลุ่มที่ไม่มีประจุไฟฟ้าหรืออาจแบ่งเป็น"วงศ์" ( family) ซึ่งแต่ละวงศ์ประกอบด้วยเลปตอนและคู่นิวตริโนของอนุภาคนั้นๆ มีทั้งหมด 3วงศ์ จากนี้ไปเราจะพาท่านไปพบกับความพยายามของนักวิทยาศาสตร์ในการค้นหาเลปตอนแต่ละอนุภาค

เรียบเรียงจาก

http://www.atom.rmutphysics.com/charud/scibook/atom2/newquark/newquark2/lepton1.htm

http://www.manager.co.th/science/ViewNews.aspx?NewsID=9540000069163

http://en.wikipedia.org/wiki/Elementary_particle

ฮาดรอน (Hadrons)

ภาพจำลองการศึกษาอนุภาคของLarge Hadron Collider CMS
http://en.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider

อนุภาคมูลฐานสามารถจำแนกกลุ่มได้ตามแบบจำลองมาตรฐาน ได้แก่ ควาร์ก (quark) เลปตอน(leptons)และอนุภาคสนาม (force carriers) ความพิเศษของควาร์ก คือ ควาร์กไม่สามารถอยู่เดี่ยวๆ ได้ แต่จะรวมตัวกันกลายเป็นอนุภาคที่ใหญ่ขึ้น เรียกว่า ฮาดรอน (hadrons) โดยฮาดรอนแบ่งเป็น 2 กลุ่ม คือ เมซอน (meson) กับ แบริออน (baryons) ซึ่งทั้งคู่มีมวลและสปินต่างกัน

เมซอน (mesons)

เมซอน คือ อนุภาคที่ประกอบด้วยควาร์ก 1 ตัว และแอนติควาร์ก (antiquark) 1 ตัว มีอันตรกิริยายึดเหนี่ยวกันด้วยแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (strong interaction) เนื่องจากเมซอนประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็ก ดังนั้น เมซอนจะมีขนาดประมาณ 1 เฟมโตเมตร (10^-15 m) หรือมีขนาดประมาณ2⁄3เท่าของขนาดโปรตอน (proton) หรือ นิวตรอน (neutron) เมซอนเป็นอนุภาคที่ไม่เสถียร มีช่วงชีวิตอยู่ประมาณ 100-300 ไมโครวินาที ก็จะสลายตัว โดยเมซอนที่มีประจุไฟฟ้า จะสลายตัวเป็นอิเล็กตรอน(electrons) และนิวตริโน (neutrinos) ส่วนเมซอนที่ไม่มีประจุไฟฟ้าจะสลายตัวเป็น โฟตอน (photons)

อนุภาคในกลุ่มนี้ทุกตัวจะมีสปินเป็น 0 หรือจำนวนเต็ม (0 หรือ 1) ชื่อนี้ได้มาจากการพยากรณ์ค่ามวลของยูกาวาที่ว่ามวลของเมซอนจะมีค่าอยู่ ระหว่างมวลของอิเล็กตรอนและโปรตอน มวลของเมซอนหลายตัวอยู่ในช่วงนี้ แม้จะมีหลายตัวที่มีมวลมากกว่าโปรตอนก็ตาม

ปัจจุบันทราบกันแล้วว่า เมซอนทุกตัวในที่สุดจะสลายตัวเป็นอิเล็กตรอน โพสิตรอน นิวตริโนและโฟตอน ไพออนเป็นเมซอนที่เบาที่สุดที่เรารู้จัก มันมีมวลประมาณ

และไพออนทั้งหมด 3 ตัว คือและมีสปินเป็นศูนย์ (ซึ่งเป็นเครื่องชี้ว่า อนุภาคที่แอนเดอร์สันค้นพบในปี 1937 คือ มิวออนนั้น จริง ๆ แล้วไม่ใช่เมซอน เพราะมิวออนมีสปินมิวออนจึงต้องอยู่ในกลุ่มเลพตอน (lepton) ดังจะอธิบายต่อไป)

กลุ่มอนุภาคเมซอน มีสปิน 0
http://en.wikipedia.org/wiki/Meson

แบริออน (Baryons)

แบริออนเป็นตระกูลหนึ่งของอนุภาคประกอบที่เกิดจากควาร์ก 3 ตัว ตรงข้ามกับ มีซอน ซึ่งเป็นตระกูลอนุภาคประกอบที่เกิดจากควาร์ก 1 ตัวและแอนติควาร์ก 1 ตัว ทั้งแบริออนและมีซอนต่างเป็นส่วนหนึ่งของตระกูลอนุภาคที่ใหญ่กว่า ประกอบด้วยอนุภาคทั้งหมดที่เกิดจากควาร์ก เรียกว่า ฮาดรอน คำว่าแบริออนมาจากภาษากรีก ว่าβαρύς(แบรี) มีความหมายว่า "หนัก" เนื่องจากเมื่อครั้งที่ตั้งชื่อนั้น เชื่อกันว่าแบริออนมีมวลมากกว่าอนุภาคอื่นๆ

จนถึงเร็วๆ นี้ ยังเชื่อกันว่ามีการทดลองบางอย่างที่สามารถแสดงถึงการมีอยู่ของเพนตาควาร์กหรือแบริออนประหลาดที่ประกอบด้วยควาร์ก 4 ตัวกับแอนติควาร์ก 1 ตัว ชุมชนนักฟิสิกส์อนุภาคทั้งหมดไม่เคยมองการมีอยู่ของอนุภาคในลักษณะนี้มาก่อนจนกระทั่ง ค.ศ. 2006 แต่ในปี ค.ศ. 2008 มีหลักฐานที่น่าเชื่อถือซึ่งล้มล้างความเชื่อเรื่องการมีอยู่ของเพนตาควาร์ก

เนื่องจากแบริออนประกอบด้วยควาร์ก มันจึงมีอันตรกิริยาอย่างเข้ม ตรงข้ามกับเลปตอน ซึ่งไม่มีส่วนประกอบของควาร์ก จึงไม่มีคุณสมบัติอันตรกิริยาอย่างเข้ม แบริออนที่เป็นที่รู้จักมากที่สุดคือ โปรตอน และ นิวตรอน ซึ่งเป็นส่วนประกอบของมวลของสสารที่มองเห็นได้ในเอกภพ ขณะที่อิเล็กตรอน (ส่วนประกอบหลักอีกอย่างหนึ่งของอะตอม) เป็นเลปตอน แบริออนแต่ละตัวจะมีคู่ปฏิอนุภาคเรียกว่า แอนติแบริออน ซึ่งควาร์กจะถูกแทนที่ด้วยคู่ตรงข้ามของมันคือ แอนติควาร์ก ตัวอย่างเช่น โปรตอนประกอบด้วย 2 ควาร์กอัพ และ 1 ควาร์กดาวน์ คู่ปฏิอนุภาคของมันคือ แอนติโปรตอน ประกอบด้วย 2 แอนติควาร์กอัพ และ 1 แอนติควาร์กดาวน์

แสดงแบริออนและแอนติแบริออน

http://www.daviddarling.info/encyclopedia/B/baryon.html

เรียบเรียงจาก

http://www.rmutphysics.com/charud/specialnews/4/quark/quark5.htm

http://th.wikipedia.org/wiki

http://en.wikipedia.org/wiki/Large_Hadron_Collider

http://regenerating-universe-theory.org/13%29_What_is_Gravity.htm

กลูออน (Gluon)

http://www.rmutphysics.com/charud/naturemystery/atom

กลูออน(Gluon) เป็นอนุภาคมูลฐานที่ทำหน้าที่เป็นอนุภาคแลกเปลี่ยน (หรือเกจโบซอน) ของอันตรกิริยาอย่างเข้มระหว่างควาร์ก คล้ายกับการแลกเปลี่ยนโฟตอนในแรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอนุภาคที่มีประจุ 2 ตัว

เนื่องจากควาร์กนั้นประกอบกับขึ้นเป็นแบริออน และมีอันตรกิริยาอย่างเข้มเกิด ขึ้นระหว่างแบริออนเหล่านั้น จึงอาจกล่าวได้ว่า แรงสี (color force) เป็นแหล่งกำเนิดของอันตรกิริยาอย่างเข้ม หรืออาจกล่าวว่าอันตรกิริยาอย่างเข้มเป็นเหมือนกับแรงสี ที่ครอบคลุมอนุภาคอื่นๆ มากกว่าแบริออน ตัวอย่างเช่น เมื่อโปรตอนและนิวตรอนดึงดูดกันและกันในนิวเคลียส เป็นต้น

กล่าวในเชิงเทคนิค กลูออนก็คือเกจโบซอนแบบเวกเตอร์ที่เป็นตัวกลางของอันตรกิริยาอย่างเข้มของควาร์กในควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (QCD) ซึ่งแตกต่างกับโฟตอนที่เป็นกลางทางไฟฟ้าของควอนตัมอิเล็กโตรไดนามิกส์ (QED) ตัวกลูออนเองนั้นมีประจุสี (color charge) ดังนั้นจึงมีส่วนอยู่ในอันตรกิริยาอย่างเข้มเพื่อทำหน้าที่เป็นตัวกลาง ทำให้การวิเคราะห์ QCD ทำได้ยากกว่า QED เป็นอย่างมาก

อันตรกิริยาของกลูออน สามารถแสดงด้วยแผนภาพของฟายแมน (Feynman diagram) ซึ่งกลูออนเกิดขึ้นระหว่างอันตรกิริยาระหว่างควาร์ก โดยกลูออนมีสมบัติทางสี 2 สี ระหว่าง color และ anti-color ดังแสดงในแผนภาพฟายแมนนทางด้านขวา โดยกลูออนจะทำหน้าที่เปลี่ยนควร์ากน้ำเงินให้เป็นควร์ากเขียว หรือเปลี่ยนกลับไปมาได้ ซึ่งกลูออนเป็นอันตรกิริยาระยะสั้นระหว่างควาร์กกับควาร์ก จึงเรียกว่า quark confinement

ข้อมูลจาก

http://www.rmutphysics.com/charud/naturemystery/atom

http://th.wikipedia.org/wiki

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/expar.html

โฟตอน (Photon)

โฟตอน(Photon) หรือ อนุภาคของแสง เป็นการพิจารณาแสงในลักษณะของอนุภาค เนื่องจากในทางฟิสิกส์นั้น คลื่นสามารถประพฤติตัวเหมือนอนุภาคเมื่ออยู่ในสภาวะใดสภาวะหนึ่ง ซึ่งในทางตรงกันข้ามอนุภาคก็แสดงสมบัติของคลื่นได้เช่นกัน เรียกว่าเป็นคุณสมบัติทวิภาคของคลื่น-อนุภาค (wave–particle duality) ดังนั้นเมื่อพิจารณาแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในลักษณะอนุภาค อนุภาคนั้นถูกเรียกว่า โฟตอน

ทั้งนี้การพิจารณาดังกล่าวเกิดจากการศึกษาปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่โลหะปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมาเมื่อถูกฉายด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อย่างเช่น รังสีเอ๊กซ์ (X-ray) อิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาถูกเรียกว่า โฟโตอิเล็กตรอน (photoelectron) ปรากฏการณ์ดังกล่าวถูกเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า Hertz Effect ตามชื่อของผู้ค้นพบ คือ เฮนริค รูดอล์ฟ เฮิร์ทซ์ (Heinrich Rudolf Hertz)

กำเนิดของโฟตอน

โฟตอน เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสภาวะทางควอนตัมของอนุภาคที่มีประจุ จากสภาวะที่มีพลังงานสูงไปยังสภาวะที่มีพลังงานต่ำ เช่น เกิดจากการที่อิเล็กตรอนในอะตอมเปลี่ยนสภาวะจากออร์บิทัลหนึ่งไปยังอีกออร์ บิทัลหนึ่งที่มีพลังงานต่ำกว่า หรือ อาจเกิดจากการที่อิเล็กตรอนอิสระถูกจับโดยอะตอม เป็นต้น กรณีที่มีการสลายตัวของนิวเคลียสที่ไม่เสถียร บางครั้งก็ทำให้เกิดโฟตอนเช่นกัน เป็นโฟตอนของรังสีแกมมาที่เกิดจากขบวนการดังกล่าว

http://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/285/19/laser/k06.htm

ค่าความ ถี่ของโฟตอนที่ถูกปล่อยออกมาจะสัมพันธ์กับผลต่างระหว่างพลังงานของสภาวะทั้ง สอง กล่าวคือ ผลต่างระหว่างพลังงานของสภาวะทั้งสองต้องมีค่าเท่ากับพลังงานควอนตัม () เท่านั้นจึงจะทำให้มีการปลดปล่อยโฟตอนที่มีความถี่ได้

ข้อมูลจาก
http://th.wikipedia.org/wiki
http://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/285/19/laser/k06.htm
http://www.electron.rmutphysics.com/news/index.php?option=com_content&task=view&id=677

Return to contents

 เครื่องเร่งอนุภาค (particle accelerator)

เครื่องเร่งอนุภาคคืออะไร

เครื่องเร่งอนุภาค(particle accelerator) คือเครื่องมือชนิดหนึ่งที่อาศัยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในการเร่งให้อนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่ไปจนกระทั่งมีความเร็วสูง โดยให้เคลื่อนที่อยู่ภายในท่อที่เตรียมเอาไว้ โทรทัศน์แบบ CRT เป็นตัวอย่างแบบง่ายๆ อย่างหนึ่งของเครื่องเร่งอนุภาค มีเครื่องเร่งอนุภาคพื้นฐานอยู่ 2 แบบคือ เครื่องเร่งอนุภาคแบบ electrostatic และแบบ oscillating field

การนำไปใช้ประโยชน์

ลำของอนุภาคพลังงานสูงมีประโยชน์สำหรับการวิจัยพื้นฐานและประยุกต์ใช้ในทาง วิทยาศาสตร์และยังอยู่ในขอบเขตทางด้านเทคนิคและอุตสาหกรรมหลายประเภทที่ไม่ เกี่ยวข้องกับการวิจัยพื้นฐาน มันได้รับการคาดว่ามีเครื่องเร่งอนุภาคอยู่ประมาณ 26,000 เครื่องทั่วโลก ในจำนวนนี้มีเพียง 1% เป็นเครื่องสำหรับงานวิจัยที่มีพลังงานสูงกว่า 1 GeV, ในขณะที่ประมาณ 44% ใช้สำหรับการรักษาโรคด้วยรังสี, 41% สำหรับขบวนการฝังไอออนที่ผิวของวัสดุ (ion implantation), 9% สำหรับอุตสาหกรรมการประมวลผลและการวิจัย, และ 4% สำหรับด้านชีวการแพทย์และการวิจัยพลังงานต่ำอื่น ๆ กราฟแท่งแสดงรายละเอียดของจำนวนสะสมของเครื่องเร่งอนุภาคในอุตสาหกรรมที่สอดคล้องกับการใช้งาน

หลักการทำงานของเครื่องเร่งอนุภาค

เครื่องเร่งอนุภาคที่ใกล้ตัวของเราที่สุด คือ จอภาพของโทรทัศน์ หรือหน้าจอคอมพิวเตอร์ที่ใช้หลอดรังสีคาโทด (cathode ray tube ,CRT)

http://www.nst.or.th/article/article143/article48301.html

หลอด CRT ทำให้อนุภาคของอิเล็กตรอนจากขั้วลบเร่งความเร็วสูงขึ้น และเปลี่ยนทิศทางด้วยขั้วแม่เหล็กไฟฟ้า ในหลอดสุญญากาศ แล้วเขาชนโมเลกุลของสารเรืองแสง (phosphor) บนจอภาพ การชนแต่ละครั้งทำให้เกิดจุดของแสงขึ้นมาบนจอโทรทัศน์ หรือจอคอมพิวเตอร์

เครื่องเร่งอนุภาค มีการทำงานในลักษณะเดียวกัน ต่างกันตรงที่มีขนาดหญ่กว่า และพลังงานสูงกว่ากันมาก (ใกล้กับความเร็วแสง) การชนจะเกิดขึ้นที่อนุภาคภายในอะตอม และมีรังสีนิวเคลียร์หลายชนิดเกิดขึ้นมา

เครื่องเร่งอนุภาคแบ่งออกเป็น 2 ประเภท

LHC เครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุด

Large Hadron Collider; LHCคือเครื่องเร่งอนุภาคที่ใหญ่ที่สุดในโลก มีเป้าหมายที่จะสร้างอนุภาคโปรตอน 7 TeV ขึ้น เพื่อพิสูจน์ข้อเท็จจริงและข้อจำกัดของทฤษฎีทางฟิสิกส์อนุภาคที่มีอยู่ในปัจจุบันอันอยู่ภายใต้กฎของแรงทั้งสี่องค์กรวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรป(European Organization for Nuclear Research) หรือเซิร์น(Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN) เป็นผู้สร้างเครื่องนี้ขึ้นที่บริเวณเขตแดนประเทศฝรั่งเศสและสวิตเซอร์แลนด์ใกล้กับกรุงเจนีวา เป็นท่อใต้ดินลักษณะเป็นวงแหวนขนาดความยาวเส้นรอบวง 27 กิโลเมตร

เครื่อง LHC นี้ถือว่าเป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่มีขนาดใหญ่ที่สุดและใช้พลังงานสูงที่สุดของโลก สร้างขึ้นจากเงินทุนและการสนับสนุนรวมทั้งความร่วมมือจากนักฟิสิกส์มากกว่า 8,000 คน จาก 85 ประเทศ ในมหาวิทยาลัยและห้องทดลองทั่วโลกนับร้อยแห่ง

ในระหว่างการก่อสร้าง เซิร์นเปิดโอกาสให้อาสาสมัครจากทั่วโลก ได้เข้าร่วมบริจาคการทำงานของคอมพิวเตอร์ เพื่อจำลองพฤติกรรมที่เกิดขึ้นภายในเครื่อง LHC เพื่อช่วยในการออกแบบ และปรับแต่งระบบ ด้วยโครงการที่มีชื่อว่าLHC@homeตั้งแต่วันที่ 1 กันยายน พ.ศ. 2547 โครงการนี้ดำเนินการบนระบบ Berkeley Open Infrastructure for Network Computing ของมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์

เครื่องเร่งนี้สามารถทำความเย็นลงได้ต่ำที่สุดที่ประมาณ 1.9 K (หรือ −271.25°C) เป็นอุณหภูมิที่ทำลงไปใกล้อุณหภูมิสัมบูรณ์มากที่สุด ได้มีการทดสอบยิงอนุภาคเริ่มต้นสำเร็จแล้วในช่วงวันที่ 8-11 สิงหาคม พ.ศ. 2551 และมีกำหนดจะยิงอนุภาคให้เคลื่อนที่ไปครบวงรอบของท่อตัวนำในวันที่ 10 กันยายน พ.ศ. 2551 โดยใช้พลังงานเริ่มต้นที่ 0.45 TeV เมื่อเส้นทางของอนุภาคเข้าสู่ภาวะเสถียร เครื่องจะปรับเส้นทางให้เกิดการชนกันของอนุภาค หลังจากนั้นจะค่อยๆ เพิ่มระดับของพลังงานขึ้นไปจนถึง 5 TeV และสังเกตการณ์ผลที่เกิดขึ้น

เมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม พ.ศ. 2555เซิร์นประกาศว่าได้ค้นพบอนุภาคที่คาดว่าจะเป็นอนุภาคฮิกส์ โดยมีความแม่นยำสูงถึง 99.9999 เปอร์เซ็นต์ และในวันที่ 14 มีนาคม พ.ศ. 2556 เซิร์นได้ยืนยันการมีอยู่ของอนุภาคฮิกส์อย่างเป็นทางการ

ขนาดของ LHC

http://www.lhc-closer.es/1/3/1/0

เครื่องเร่งอนุภาคของไทย

เครื่องกำเนิดแสงสยาม (Siam Photon Source)เป็นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนขนาดพลังงาน 1.2 GeV ประกอบด้วยระบบเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน ทำหน้าที่ผลิตและเร่งพลังงานลำอิเล็กตรอน และวงกักเก็บอิเล็กตรอนทำหน้าที่กักเก็บลำอิเล็กตรอนพลังงานสูงและผลิตแสงซิ นโครตรอน

ส่วนประกอบของเครื่องกำเนิดแสงสยาม

1. ระบบเครื่องเร่งอนุภาคทางตรง หรือ Linear accelerator (LINAC ในภาพ)
2. ระบบนำส่งอนุภาคพลังงานต่ำ หรือ Low energy beam transport (LBT ในภาพ)
3. ระบบเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลม หรือ Booster synchrotron (SYN ในภาพ)
4. ระบบนำส่งอนุภาคพลังงานสูง หรือ High energy beam transport (HBT ในภาพ)
5. วงกักเก็บอิเล็กตรอน หรือ Storage ring (STR ในภาพ)

ระบบเครื่องเร่งอนุภาคทางตรง รวมถึงปืนอิเล็กตรอน (Electron gun) ซึ่งเป็นหลอดคาโธด ทำหน้าที่ผลิตอิเล็กตรอน จากนั้นอิเล็กตรอนถูกเร่งพลังงานภายในท่อเร่งพลังงาน (Accelerating tube) ของเครื่องเร่งอนุภาคทางตรงจนมีพลังงาน 40 MeVโดยการเร่งพลังงานอิเล็กตรอน ใช้สนามไฟฟ้าจากคลื่นไมโครเวฟกำลังสูง (ความถี่ 2856 MHz) ซึ่งถูกผลิตจากอุปกรณ์ที่เรียกว่าไครสตรอน (Klystron) และถูกส่งเข้าสู่ท่อเร่งพลังงานของเครื่องเร่งอนุภาคทางตรงผ่านทางท่อนำ คลื่น (Wave guide)

ภาพแสดงส่วนประกอบเครื่องเร่งอนุภาคทางตรง (Linear accelerator)

จากนั้น ลำอิเล็กตรอนพลังงาน 40 MeV ถูกนำส่งโดยระบบนำส่งอนุภาคพลังงานต่ำเข้าสู่เครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลม ซึ่งเร่งพลังงานอิเล็กตรอนจาก 40 MeV เป็น 1 GeV โดยใช้สนามไฟฟ้าของคลื่นวิทยุกำลังสูง (ความถี่ 118 MHz) ภายในอุปกรณ์ที่เรียกว่า RF Cavity โดยอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่อยู่ในเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลม (ระยะเส้นรอบวง 43 เมตร) ประมาณ 4 ล้านรอบ ใช้เวลาประมาณ 0.6 วินาที และถูกเร่งพลังงานขึ้นทีละน้อยเมื่อเคลื่อนที่ผ่าน RF Cavity ในแต่ละรอบ

ภาพเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลม (Booster synchrotron)

อิเล็กตรอนพลังงาน 1 GeV ถูกนำส่งโดยระบบนำส่งอนุภาคพลังงานสูงเข้าสู่วงกักเก็บอิเล็กตรอน จากนั้นจึงถูกเร่งพลังงานอีกครั้งจนถึงค่าพลังงาน 1.2 GeVและกักเก็บไว้ภายในท่อสุญญากาศของวงกักเก็บอิเล็กตรอนที่มีขนาดเส้นรอบวง 81.3 เมตร เมื่ออิเล็กตรอนพลังงานสูงเลี้ยวโค้งในสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กบังคับเลี้ยว (Bending magnet) ของวงกักเก็บอิเล็กตรอน ก็จะปลดปล่อยแสงซินโครตรอน

ภาพวงกักเก็บอิเล็กตรอน(Storage ring)และกราฟฟิกแสดงแสงซินโครตรอนที่ปลดปล่อยจากแม่เหล็กบังคับเลี้ยว (Bending magnet)

สำหรับรายละเอียดเชิงเทคนิค โปรดดูในหน้า web ของแต่ละส่วนประกอบ

ข้อมูลจาก
http://www.nst.or.th/article/article143/article48301.html
http://th.wikipedia.org/wiki
http://www.lhc-closer.es/1/3/1/0
http://www.slri.or.th/th/index.php?option=com_content&view=article&id=27&Itemid=77

Return to contents

ฮิกส์โบซอน (Higgs boson)

การทดลองการชนระหว่างอนุภาคโปรตอนสองตัว อาจทำให้เกิดสัญญาณการมีตัวตนของอนุภาคฮิกส์
http://th.wikipedia.org/wiki

ฮิกส์โบซอน คืออะไร

อนุภาคฮิกส์(Higgs particle) หรือฮิกส์โบซอน(Higgs boson) เป็นอนุภาคมูลฐานทางฟิสิกส์ชนิดหนึ่งที่ทำนายไว้ในแบบจำลองมาตรฐานตั้งแต่ปี ค.ศ. 1964 จัดอยู่ในกลุ่มอนุภาคโบซอน นักวิทยาศาสตร์พยายามทำการทดลองเพื่อค้นหาการเกิดของอนุภาคนี้ ซึ่งเมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม พ.ศ. 2555 เซิร์นประกาศว่าได้ค้นพบอนุภาคที่คาดว่าจะเป็นอนุภาคฮิกส์ โดยมีความแม่นยำสูงถึง 99.9999 เปอร์เซ็นต์ และในวันที่ 14 มีนาคม พ.ศ. 2556 เซิร์นได้ยืนยันการมีอยู่ของอนุภาคฮิกส์อย่างไม่เป็นทางการ

อนุภาคฮิกส์จัดอยู่ในกลุ่มอนุภาคโบซอน เนื่องจากมีค่าสปินเป็นเลขจำนวนเต็ม (เหมือนกับอนุภาคอื่น ๆ ในกลุ่มโบซอน) และตามทฤษฎีต้องใช้พลังงานมหาศาลในการตรวจจับอนุภาคชนิดนี้ ซึ่งจะเกิดขึ้นจากการชนของอนุภาค

อนุภาคชนิดนี้มีบทบาทพิเศษในแบบจำลองมาตรฐาน กล่าวคือเป็นอนุภาคที่อธิบายว่าทำไมอนุภาคมูลฐานชนิดอื่น เช่น ควาร์ก อิเล็กตรอน ฯลฯ (ยกเว้นโฟตอนและกลูออน) ถึงมีมวลได้ และที่พิเศษกว่าคือ สามารถอธิบายว่าทำไมอนุภาคโฟตอนถึงไม่มีมวล ในขณะที่อนุภาค W และ Z โบซอนถึงมีมวลมหาศาล ซึ่งมวลของอนุภาคมูลฐาน รวมไปถึงความแตกต่างระหว่างแรงแม่เหล็กไฟฟ้าอันเกิดจากอนุภาคโฟตอน และอันตรกิริยาอย่างอ่อนอันเกิดจากอนุภาค W และ Z โบซอนนี่เอง เป็นผลสำคัญอย่างยิ่งที่ประกอบกันเกิดเป็นสสารในหลายรูปแบบ ทั้งที่เรามองเห็นและมองไม่เห็น ทฤษฎีอิเล็กโตรวีค (electroweak) กล่าวไว้ว่า อนุภาคฮิกส์เป็นตัวผลิตมวลให้กับอนุภาคเลปตอน (อิเล็กตรอน มิวออน เทา) และควาร์ก

เนื่องจากอนุภาคฮิกส์มีมวลมากแต่สลายตัวแทบจะทันทีที่ก่อกำเนิดขึ้นมา จึงต้องใช้เครื่องเร่งอนุภาคที่มีพลังงานสูงมากในการตรวจจับและบันทึกข้อมูล ซึ่งการทดลองเพื่อพิสูจน์ความมีตัวตนของอนุภาคฮิกส์นี้จัดทำโดยองค์การวิจัยนิวเคลียร์ยุโรป (CERN) โดยทดลองภายในเครื่องชนอนุภาคขนาดใหญ่ (LHC) และเริ่มต้นการทดลองตั้งแต่ต้นปี พ.ศ. 2553 จากการคำนวณตามแบบจำลองมาตรฐานแล้ว เครื่องเร่งอนุภาคจะต้องใช้พลังงานสูงถึง 1.4 เทระอิเล็กตรอนโวลต์ (TeV) ในการผลิตอนุภาคมูลฐานให้มากพอที่จะตรวจวัดได้ ดังนั้นจึงได้มีการสร้างเครื่องชนอนุภาคขนาดใหญ่ (LHC) ดังกล่าวขึ้นมาเพื่อทำการทดลองพิสูจน์ความมีตัวตนของอนุภาคชนิดนี้

ทำไมต้องมีฮิกส์โบซอน

ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ก่อนการกำเนิดเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูง เช่น LHC ในปัจจุบัน กรอบความรู้เรื่องจักรวาล นักวิทยาศาสตร์ศึกษาจากหน่วยที่เล็กที่สุดอย่างอะตอมก่อน เพราะเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของธาตุทุกชนิด เมื่อทำการศึกษาลึกลงไปพบว่า อะตอมไม่ใช่หน่วยที่เล็กที่สุดอีกต่อไป แต่ประกอบด้วยโปรตอน(proton),นิวตรอน(neutron) และอิเล็กตรอน(electron) จึงเรียก อนุภาคทั้ง 3 ตัวนี้ว่าอนุภาคมูลฐาน(elementary particle) เนื่องจากไม่สามารถแบ่งมันออกได้อีก

เมื่อ การศึกษาพัฒนาขึ้นถึงยุคเครื่องเร่งอนุภาค นักฟิสิกส์ก็ค้นพบอนุภาคใหม่ๆ มากมายจนตัวอักษรกรีก ไม่พอที่จะเอามาใช้ตั้งชื่อ ถึงกับขนานนามกันว่า ”Particle Zoo” กันเลย การพบอนุภาคที่มากมายดังกล่าว ไม่ได้ทำให้นักฟิสิกส์ตื่นเต้นอีกแล้ว แต่กลับกังวลถึงขอบเขตการค้นหา จึงพยายามสร้างทฤษฎีมาอธิบายความสัมพันธ์ของมันดีกว่า

กำเนิดเป็น ทฤษฎีแบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model) ที่ประกอบด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า(eletromagnetic force)แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน(weak force) และ ทฤษฎีของแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (strong force) แรงมูลฐาน 3 แรง สามารถแบ่ง อนุภาคมูลฐานได้เป็นสองประเภท คือfermionและgauge bosonดังแสดงในตารางข้างล่างนี้

ตารางแสดงอนุภาคมูลฐานตามแบบจำลองมาตรฐาน
http://www.nstda.or.th/nstda-knowledge/8572-cern-higgs-boson

จากตารางมีอนุภาคมูลฐาน สองประเภท คือ fermionและgauge boson บนคอลัมน์ขวาสุดgauge bosonนั้นสร้างปัญหาให้กับนักฟิสิกส์อย่างมาก คือ ความต่างอย่างเห็นได้ชัดของมวลphotongluonที่ไม่มีมวล ขณะที่WและZ bosonต่างก็มีมวลซึ่งหนักพอๆ กับนิวเคลียสของตะกั่ว

ปี ค.ศ. 1964 นักวิทยาศาสตร์หลายท่าน ได้แก่ ฟรองซัว อองเกลอร์ (François Englert) โรเบิร์ต เบราท์ (Robert Brout) ปีเตอร์ ฮิกส์ (Peter Higgs) และนักวิจัยที่ออกงานวิจัยอิสระ เจอรัลด์ กูรัลนิค (Gerald Guralnik) ซี.อาร์.เฮเกน (C. R. Hagen) ทอม คิบเบิล (Tom Kibble) ได้เสนอทฤษฎี อธิบาย กระบวนการที่ทำให้อนุภาคมูลฐานเกิดมวลขึ้นมา เรียกกันว่า “Higgs mechanism“ มันถูกตั้งชื่อภายหลังเพื่อเป็นเกียรติแก่Peter Higgs

Higgs mechanismอธิบายว่า อนุภาคแรกหลังการระเบิดBig Bangยังไม่มีมวลเป็นของตัวเอง จนกระทั่งเอกภพให้กำเนิดสนามพลังที่เรียกว่า “Higgs field” ขึ้นHiggs fieldเป็นสนามของพลังที่มองไม่เห็น และกระจายอยู่ทั่วจักรวาล อนุภาคมูลฐานได้ทำอันตรกิริยา ( interaction ) กับ สนามHiggs fieldกลายเป็นมวลของอนุภาคนั้นๆ อนุภาคที่มีอันตรากิริยาน้อย ก็มีมวลน้อย อนุภาคที่มีอันตรกิริยามากก็จะมีมวลมาก ไม่อันตรกิริยาเลยก็ไม่มีมวล

และ Higgs boson ก็คืออนุภาคของ Higgs field เหมือนกับที่ photon หรืออนุภาคแสงเป็นอนุภาคของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic field) นั่นเอง !!

รูป ปีเตอร์ ฮิกส์ ผู้เสนอแนวคิดกลไกของฮิกส์
http://www.vcharkarn.com/varticle/44048

ฮิกส์โบซอนทำให้อนุภาคอื่นมีมวลได้อย่างไร

การอธิบายว่าฮิกส์โบซอนทำให้เกิดมวลได้อย่างไร ตัวอย่างคำอธิบายที่แพร่หลายอาศัยการเปรียบเทียบดังนี้คือ หากมีห้องหนึ่งที่มีนักฟิสิกส์จำนวนหนึ่งนั่งพูดคุยกันอยู่ เราอาจเรียกห้องนี้ว่าเป็นสนามฮิกส์(Higgs Field)

แผนภาพอย่างง่ายอธิบายวิธีการทำให้เกิดมวลของฮิกส์โบซอน

http://www.nstda.or.th/nstda-knowledge/8572-cern-higgs-boson

ครั้นเมื่อมีนักวิทยาศาสตร์ชื่อดังสักคนเดินเข้ามาในห้อง ก็จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงบางอย่างขึ้น เขาหรือเธอผู้นั้นจะถูกแวดล้อมด้วยบรรดาผู้คน อาจจะต้องมีการหยุดให้ลายเซ็นและพูดคุย ผลก็คือจะเดินจากจุดหนึ่งไปยังจุดอื่นๆ ของห้องยากขึ้น เปรียบเสมือนเขาหรือเธอมี “มวล” ขึ้น เพราะ “สนาม” ที่เกิดจากแฟนคลับทั้งหลายนั่นเอง

ในภาวะดังกล่าวนี้แฟนคลับแต่ละคน ก็คล้ายกับเป็นฮิกส์โบซอนแต่ละตัว

หากสถานการณ์เปลี่ยนไปเล็กน้อย นักวิทยาศาสตร์ที่เดินเข้าห้องมา “ดัง” ไม่มากเท่ากับในรายแรก กลุ่มคนที่มาล้อมรอบก็จะลดน้อยลงไปด้วย นักวิทยาศาสตร์คนดังกล่าวก็จะเดินไปมาในห้องได้สะดวกมากกว่า นักวิทยาศาสตร์ในกรณีหลังนี้จึงมี “มวล” น้อยกว่านักวิทยาศาสตร์คนแรก ดังนั้นตามทฤษฎีนี้ควรจะมีสนามฮิกส์แพร่กระจายอยู่ทั่วไปในเอกภพเพื่อทำให้ อนุภาคต่างๆ มีมวล

อีกหนึ่งตัวอย่างที่ง่ายๆ คือ การที่่เราลงไปเดินในน้ำ ถ้าเราตัวผอมเราก็สามารถเดินได้สะดวก เรียกว่า เรามีมวลน้อย ส่วนถ้าคนอ้วนตัวโตลงไปเดินในน้ำ จะเดินได้อยากกว่าเรา หรือ มีมวลมากกว่าเรา นั่นเอง และอนุภาคของน้ำที่มาล้อมรอบเรา (H2O) เปรียบได้กับอนุภาคของฮิกส์นั่นเอง

ข้อมูลจาก
http://www.nstda.or.th/nstda-knowledge/8572-cern-higgs-boson
http://th.wikipedia.org/wiki/
http://tech.mthai.com/gadget/18479.html
http://www.vcharkarn.com/varticle/44048