Transcript Elementary Particle and High Energy Physics

อนุภาคมูลฐานและฟิ สิ กส์พลังงานสูง
(Elementary Particle and High Energy Physics)
โดย
อาจารย์อุกฤษฏ์ ไชยมงคล
สาขาวิชาฟิ สิ กส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยพะเยา
อันตรกิริยา และอนุภาคมูลฐาน
อนุภาคทัง้ หลายในธรรมชาติ ล้ วนแต่อยู่ภายใต้ อธิ พ ลของ
แรง (force) อย่างน้ อยหนึ่งชนิดของแรงหลักมูล (fundamental
force) 4 ชนิด
แรงอย่างแรง (Strong force)
แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic force)
แรงอย่างอ่อน (weak force)
และแรงโน้ มถ่วง (Gravitational force)
โดยมีผลเกี่ยวกับอันตรกิริยา (interaction) ระหว่าอนุภาคเกิดขึ ้น
ตาราง 1 แสดงลักษณะเฉพาะของอันตรกิริยาพืน้ ฐาน
1. แรงอย่ างแรง strong force
-
เป็ นแรงหลักมูลชนิดที่มีความแรง (strength)
ณ ที่นี ้สมมติวา่ มีความแรงสัมพัทธ์ (relative strength) เท่ากับ 1
เป็ นแรงพิสยั ใกล้ (short-rang force)
ความแรงอยูใ่ นพิสยั ที่ประมาณขอบเขตของนิวเคลียสก่อนหนึง่
หรื อ ประมาณ 1 เฟมโตเมตรเท่านัน้
- เกี่ยวข้ องกับการยึดเหนี่ยวโปรตอนและนิวตรอนเข้ าไว้ ในนิวเคลียส
เดียวกัน
ในฟิ สิกส์แผนใหม่ (modern physics) กล่าวกันว่ามีการแลกเปลี่ยน
ควอนตัม (quantum) หรื ออนุภาคสนาม (field particle) เนื่องจาก
อัน ตรกิ ริ ย า ส าหรั บ กรณี ข องแรงอย่ า งแรงตามที่ ก ล่ า วนี ้ จะเรี ย ก
อนุภาคสนามของอันตรกิริยาว่า กลูออน (gluon)
2.แรงแม่ เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic force)
- เป็ นแรงพิสยั ไกล (long-range force)
- มีความแรงที่เป็ นสัดส่วนผกผันกาลังสองของระยะห่าง
ระหว่างอนุภาค
- แรงแม่เหล็กไฟฟ้านี ้เกี่ยวข้ องกับการยึดเหนี่ยวของอะตอม
และโมเลกุล
- ความแรงประมาณ 1 ใน 100 ของแรงอย่างแรง
- เป็ นเหตุผลที่ที่สะท้ อนกลับได้ เป็ นอย่างดีเกี่ยวกับอิทธิพล
ของแรงระหว่างนิวคลีออนในนิวเคลียสก้ อนหนึง่ ต้ องเป็ น
แรงอย่างแรง
- อนุภาคสนามของอันตรกิริยา คือ โฟตอน (Photon)
3. แรงอย่ างอ่ อน (weak force)
-เป็ นแรงพิสยั ใกล้ อีกชนิดหนึง่ มีพิสยั ประมาณ 1 เฟมโต
เมตร
-- มีความแรงสัมพัทธ์ 10-9 หรื อความแรงเพียง 1 ในล้ าน
ของแรงอย่างแรง
-มีสว่ นสาคัญในกระบวนการสลายกัมมันตรังสีสว่ นมาก
เช่นการสลายอนุภาคบีตา
- อนุภาคสนามที่เป็ นการแลกเปลี่ยนในอันตรกิริยาของกรณี
นี ้คือ โบซอน (boson) “W&Z” ที่พลังงานสูง
4. แรงโน้ มถ่ วง (Gravitational force)
-เป็ นแรงพิสยั ไกล
-มีความสาคัญในการพิจารณาอันตรกิริยาของระบบดาว
เคราะห์ ดาวฤกษ์ และดาราจักรในเอกภพ
-แรงโน้ มถ่วงซึง่ ความแรงขึ ้นกับสัดส่วนผกผันกาลังสองของ
ระยะทาง
-เป็ นแรงหลักมูลที่มีความแรงต่าสุด โดยมีความแรงสัมพัทธ์
ประมาณ 10-38
- แกรวิตอน (graviton) ก็เป็ นอนุภาคสนามของแรงโน้ มถ่วง
ภาพ 1 เป้าหมายของฟิ สิกส์คือภาพของทฤษฎีเดียวอนุภาคของสสารที่ทาอันตรกิริยากับ
อนุภาคอื่นได้ รับการพัฒนาแต่ยงั ไม่สาเร็จ
อนุภาคมูลฐาน (Fundamental Particle)
อนุภาคมูลฐานแบ่งเป็ น 2 กลุม่ ได้ แก่ เลปตอน (leptons) และ แฮรอน (hadrons)
เลปตอน (leptons) เป็ นภาษากรี กแปลว่า เบา โดยมีผลต่ออันตรกิริยาแบบอ่อน
แม่เหล็กไฟฟ้า และความโน้ มถ่วง เป็ นอนุภาคจาพวกเฟอร์ มิออน
ตาราง 2 แสดงสมบัตเิ ลปตอนและปฏิยานุภาคทั้งหมดในวงศ์ เลปตอน
การจาแนกประเภทอนุภาค
(Classification of Particle)
ภาพ 2 แผนผังการจาแนกประเภทของอนุภาคเลปตอน
เลปตอน (lepton number)
เรากาหนดเลขเลปตอน (lepton number) ไว้ 3 ชนิด คือ
1. เลขอิเล็กตรอน-เลปตอน(electron number “Le”)
2. เลขมิวออน-เลปตอน (muon-lepton number “L”)
3. ทอ-เลปตอน (tau-lepton number “L”)
โดยตัวเลขเลปตอนี ้สอดคล้ องกับเลปตอนทัง้ 3 กลุม่ คือ (e-, e), (-, ) และ
(-, ) และ เลขเลปตอนแต่ละชนิดจะอนุรักษ์ ในแต่ละอันตรกิริยา ซึง่ ก็คือกฎการอนุรักษ์
เลขเลปตอน (lepton number conservation law) เช่น
ตาราง 3 แสดงเลขเลปตอน
อนุภาค
อิเล็กตรอน (e-)
นิวทริ โนอิเล็กตรอน (e)
มิวออน (-)
นิวทริ โนมิวออน ()
ทอ (-)
นิวทริ โนทอ ()
โพสิตรอน (e+)
แอนตินิวทริ โนอิเล็กตรอน ( e)
แอนติมิวออน (+)
แอนตินิวทริ โนมิวออน ( )
แอนติทอ (+)
แอนตินิวทริ โนมิวทอ ( )
Le
+1
+1
0
0
0
0
-1
-1
0
0
0
0
เลขเลปตอน
L
0
0
+1
+1
0
0
0
0
-1
-1
0
0
L
0
0
0
0
+1
+1
0
0
0
0
-1
-1
แฮดรอน (hadrons)
แฮดรอนเป็ นอนุภาคอันตรกิริยาอย่างแรง เป็ นอีกวงศ์หนึ่งที่ซบั ซ้ อ นกว่าวงศ์เลป
ตอน โดยคาว่า “แฮดรอน” เป็ นคาที่มาจากภาษากรี กซึง่ หมายถึง “ใหญ่” แฮดรอน แบ่งเป็ น
2 กลุม่ ตามค่าสปิ น กล่าวคือ มี ซอนและแบริ ออน
มีซอน Meson
เป็ นอนุภาคโบซอนที่มีสปิ นเป็ นเลขจานวนเต็มบวกที่รวมศูนย์ด้วย ในตาราง 4 เราจะกล่าวเฉพาะพายออน
(pion) หรื อ พายมีซอน (pi meson “”) และเคออน (kaon) หรื อเคมีซอน ( meson) และ อีตา
พายออน Pion
มีสปิ นศูนย์ ประกอบด้ วยอนุภาค 3 ตัวคือ +, - และ 0 นับว่าเป็ นอนุภาคมีซอนที่เบาที่ สดุ มีมวล
ประมาณ 270 เท่าของมวลอิเล็กตรอน 1 ตัว โดยที่ - เป็ นปฏิยาของอนุภาค + ส่วนอนุภาค 0
การจาแนกประเภทอนุภาค
(Classification of Particle)
ภาพ 3 แผนผังการจาแนกประเภทของอนุภาคบาริออนและมีซอน
ตาราง 3 แสดงสมบัติแฮดรอนและปฏิยานุภาคทั้งหมดในวงศ์ แฮดรอน
ความแปลก (strangeness)
เมอร์ เรย์ เกลล์-มันน์ (Murray Gell-Mann) ได้ เสนอเลขควอนตัมตัวหนึ่ง ซึ่งเป็ นสมบัติ
อย่างหนึ่งของอนุภาคแปลกคือ ความแปลก (strangenss “S”) ซึ่งกฎการอนุรักษ์ ความ
แปลก(strangeness conservation law) กล่าวไว้ ว่า “ผลรวมของค่าความแปลกก่อนและ
หลังกระบวนการของอันตรกิริยานิวเคลียร์ อนั หนึง่ ต้ องเท่ากัน”
ตาราง 4 แสดงค่ าความแปลกของแฮดรอน
เลขแบริออน (baryon number “B”)
ตาราง 5 แสดงค่ าเลขบริออน
กฎการอนุรักษ์ เลขแบริ ออน (baryon number conservation law )
กล่าวว่า “ในกระบวนการอันตรกิริยาอันหนึ่งเลขแบริ ออนสุทธิย่อมคงตัว” เช่นเดียวกับ
การอนุรักษ์ ของประจุ สปิ น และความแปลก
ภาพ 4 แผนผังการจาแนกประเภทของอนุภาค
ควาร์ ก (quark)
เมอร์ เรย์ เกลล์ -มันน์ (Murray
Gell-Mann) และจอร์ จ ซไวก์
(Geoge Zweig) ได้ เสนอว่า
“อนุภาคแต่ละตัวของวงศ์แฮดรอนเป็ นกระจุกหนึ่งของอนุภาคมูลฐานแท้จริ งที ่
เรี ยกว่า ควาร์ ก (quark) ตัง้ แต่ 2 ตัวขึ้นไป”
ปั ญหา ?
- แบริออนและมีซอนแต่ละตัวจะประกอบด้ วยควาร์ กกี่ตวั
- ควาร์ กแต่ละตัวมีสมบัติอย่างไร
- เนื่องจากแบริ ออน และมี ซอนเป็ นอนุภาควงศ์แฮดรอนต่างกลุ่มกัน จึงต้ องมีสมบัติที่
แตกต่างกัน
- ถ้ าแบริ ออน ซึง่ เป็ นเฟอร์ มิออน มีองค์ประกอบจริง ส่วนประกอบเหล่านันต้
้ องเป็ น
เฟอร์ มิออน
- ถ้ ามีซอนซึง่ เป็ นโบซอน ต้ องมีกระจุกของอนุภาคมูลฐานที่เป็ นโบซอนด้ วย
ข้ อสมมติและสิ่งสืบเนื่องในขัน้ ต้ นเป็ นดังนี ้
1. ควาร์ กแต่ละตัวเป็ นเฟอร์ มอิ อนสปิ น 1/2
2. ควาร์ กทุกตัวต่างมีเลขแบริ ออนเท่ากับ 1/3 ส่วนแอนติควาร์ กแต่ละตัวมีเลขแบริ
ออนเท่ากับ -1/3
3. ประจุไฟฟ้าของควาร์ กตัวหนึง่ อาจมีคา่ เป็ น  1/3 หรื อ  2/3 เท่าของประจุ
อิเล็กตรอน 1 ตัว
4. แบริ ออนแต่ละตัวประกอบด้ วยควาร์ ก 3 ตัว ส่วนแอนติแบริ ออนแต่ละตัวก็
ประกอบด้ วยแอนติ ควาร์ ก 3 ตัว
5. เนื่องจากมีซอนเป็ นโบซอนจึงต้ องมีควาร์ กเป็ นจานวนคู่ และมีซอนก็มีเลขแบริ
ออนเท่ากับศูนย์ ดังนัน้ มีซอนทุกตัวต่างต้ องประกอบด้ วยควาร์ ก 1 ตัว แอนติค
วาร์ ก 1 ตัว
ตาราง 6 สมบัตขิ องควาร์ ก 3 ตัว
สัญลักษณ์
ประจุ
สปิ น
เลขแบริออน
ความแปลก
(S)
0
u
+ 2/3e
1/2
(B)
+ 1/3
d
- 1/3e
1/2
+ 1/3
0
s
- 1/3e
1/2
+ 1/3
-1
ในขันแรกนี
้
้เมอร์ เรย์ เกลล์-มันน์ และจอร์ จ ซไวก์ ได้ เสนอควาร์ กเป็ น 3 แบบชนิด (type)
คือ u, d และ s โดยเป็ นอักษรย่อของคาว่า up (ขึ ้น),down(ลง) และ strange (แปลก) หรื อ
sideway (ด้ านข้ าง)
ตาราง 7 สมบัตขิ องแอนติควาร์ ก 3 ตัว
สัญลักษณ์
ประจุ
สปิ น
เลขแบริออน
ความแปลก
(B)
(S)
u
- 2/3e
1/2
- 1/3
0
d
s
+ 1/3e
1/2
- 1/3
0
+1/3 e
1/2
- 1/3
+1
ตาราง 8 องค์ ประกอบควาร์ กของแฮดรอนบางชนิด
พิจารณากรณีมีซอนตัวหนึ่งประกอบด้ วยควาร์ กและแอนติควาร์ ก
พิจารณากรณีแบริ ออนตัวหนึ่งประกอบด้ วยควาร์ ก 3 ตัวเช่ น อนุ ภาคโปรตอน
p= uud
n = udd
อ นุ ภ า ค ห ลั ก มู ล ใ น
ธรรมชาติประกอบด้ วย
อนุภาคกับปฏิ ยานุภาค
ของวงศ์เลปตอน 12 ตัว
และควาร์ กกั บ แอนติ
ควาร์ กอย่างละ 6 ตัว
ตาราง 9 สมบัตขิ องควาร์ ก
The Eightfold Way
ภาพสมมาตรนี ้ชี ้ไปทฤษฎีควาร์ กว่า ควรมีอนุภาคมูลฐานอีก 3ชนิด u d s เป็ น
ส่วนประกอบของบาริ ออน 8 ตัวนัน้ บาริ ออน 1 ตัว มี 3 ควาร์ ก
ภาพ 5 แสดงภาพของบาริออนอ๊ อคเตด
Quark Model
ตาราง 10 สมบัติ และ quark ที่เป็ นองค์ ประกอบ baryon decuplet และ meson
nonet
ภาพ 6 แสดงภาพของ meson octet
ภาพ 7 แสดงภาพของ baryon decuplet
Thank you for your attention !