อนุภาคมูลฐานเป็นส่วนประกอบสำคัญของจักรวาล ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่เล็กกว่าอะตอม เป็นพื้นฐานของการทำความเข้าใจกฎของธรรมชาติและโครงสร้างของสสาร ตลอดบทเรียนนี้ เราจะเริ่มสำรวจอนุภาคเหล่านี้ คุณสมบัติของพวกมัน และปฏิกิริยาโต้ตอบของอนุภาคเหล่านี้ เพื่อวางรากฐานสำหรับการทำความเข้าใจฟิสิกส์ของอนุภาค
แบบจำลองมาตรฐานเป็นทฤษฎีที่อธิบายแรงพื้นฐานสามในสี่แรงที่รู้จักในจักรวาล ไม่รวมแรงโน้มถ่วง และจำแนกอนุภาคย่อยอะตอมที่รู้จักทั้งหมด โดยแบ่งอนุภาคเหล่านี้ออกเป็นเฟอร์มิออน (อนุภาคของสสาร) และโบซอน (พาหะของแรง)
เฟอร์มิออนยังถูกแบ่งออกเป็นควาร์กและเลปตัน ในขณะที่โบซอนประกอบด้วยโฟตอน โบซอน W และ Z กลูออน และฮิกส์โบซอน ควาร์กรวมตัวกันเพื่อสร้างโปรตอนและนิวตรอนซึ่งเป็นส่วนประกอบของนิวเคลียสของอะตอม ในขณะที่เลปตันรวมถึงอิเล็กตรอนซึ่งโคจรรอบนิวเคลียส
ควาร์กมีหกประเภทหรือ "รสชาติ": ขึ้น, ลง, เสน่ห์, แปลก, บนและล่าง พวกเขาประสบกับแรงพื้นฐานทั้งสี่ ซึ่งรวมถึงแรงนิวเคลียร์อย่างแรงที่ยึดพวกมันไว้ด้วยกันภายในโปรตอนและนิวตรอน ควาร์กไม่เคยถูกพบแยกออกจากกันเนื่องจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่า "การจำกัดสี"; พวกมันมีอยู่เป็นคู่หรือเป็นกลุ่มที่มีสามตัว ก่อตัวเป็นแฮดรอนเหมือนโปรตอน (อัพควาร์กสองตัวและอัพควาร์กหนึ่งตัว) และนิวตรอน (อัพควาร์กสองตัวและอัพควาร์กหนึ่งตัว)
ในทางกลับกัน เลปตันไม่ได้รับแรงนิวเคลียร์ที่รุนแรง อิเล็กตรอนเป็นเลปตันที่รู้จักกันดีที่สุด ซึ่งมักพบในเมฆรอบๆ นิวเคลียสของอะตอม เลปตอนอื่นๆ ได้แก่ มิวออน เทา และนิวตริโนที่สอดคล้องกัน ซึ่งเกือบจะไม่มีมวลและมีปฏิกิริยากับสสารน้อยมาก
โบซอนเป็นอนุภาคที่เป็นสื่อกลางของแรงพื้นฐาน โฟตอนเป็นพาหะของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ในขณะที่โบซอน W และ Z มีหน้าที่รับผิดชอบต่อแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน ซึ่งรับผิดชอบต่อกระบวนการสลายตัวของนิวเคลียร์ กลูออนมีแรงนิวเคลียร์อย่างแรง โดยยึดควาร์กไว้ด้วยกันภายในโปรตอนและนิวตรอน Higgs boson ซึ่งค้นพบในปี 2012 ที่เครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) มีความเกี่ยวข้องกับสนาม Higgs ซึ่งให้มวลแก่อนุภาค
อนุภาคทุกประเภทในแบบจำลองมาตรฐานจะมีปฏิภาคที่สอดคล้องกัน โดยมีมวลเท่ากันแต่ตรงกันข้ามกับคุณสมบัติอื่นๆ เช่น ประจุไฟฟ้า เมื่ออนุภาคและปฏิอนุภาคมาบรรจบกัน พวกมันจะทำลายล้าง และแปลงมวลของพวกมันให้เป็นพลังงานตามสมการของไอน์สไตน์ \(E = mc^2\) โดยที่ \(E\) คือพลังงาน \(m\) คือมวล และ \(c\) คือความเร็วแสง
การทดลองหลายครั้งถือเป็นส่วนสำคัญในการทำความเข้าใจอนุภาคย่อยของอะตอม:
QCD เป็นทฤษฎีที่อธิบายแรงนิวเคลียร์อย่างแรง ซึ่งเป็นหนึ่งในสี่แรงพื้นฐานที่ทำงานระหว่างควาร์กและกลูออน โดยตั้งข้อสังเกตว่าควาร์กมีคุณสมบัติที่เรียกว่า "ประจุสี" และการแลกเปลี่ยนกลูออนซึ่งมีประจุสีด้วย จะเป็นสื่อกลางของพลังอันแข็งแกร่ง ความแรงของแรงที่รุนแรงจะลดลงเมื่อควาร์กเข้ามาใกล้ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เรียกว่า "เสรีภาพเชิงเส้นกำกับ"
ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าอ่อนรวมพลังแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์อ่อนไว้ในกรอบเดียว โดยอธิบายว่าที่ระดับพลังงานสูง (เช่น ที่เกิดขึ้นตามบิ๊กแบง) แรงทั้งสองนี้มีพฤติกรรมเป็นหนึ่งเดียวกันได้อย่างไร ทฤษฎีนี้ทำนายการมีอยู่ของโบซอน W และ Z ซึ่งภายหลังได้รับการยืนยันจากการทดลอง
แม้จะประสบความสำเร็จ แต่โมเดลมาตรฐานก็ยังไม่เสร็จสมบูรณ์ มันไม่ได้รวมแรงโน้มถ่วงตามที่อธิบายไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หรืออธิบายสสารมืดและพลังงานมืดที่ประกอบเป็นส่วนใหญ่ของจักรวาล ทฤษฎีต่างๆ เช่น สมมาตรยิ่งยวดและทฤษฎีสตริงเสนอส่วนขยายของแบบจำลองมาตรฐาน โดยแนะนำอนุภาคและแนวคิดใหม่ๆ ในความพยายามที่จะไขปริศนาเหล่านี้
โดยสรุป อนุภาคมูลฐานซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่สุดของสสาร เป็นส่วนสำคัญในการทำความเข้าใจโครงสร้างของเอกภพและพลังเบื้องหลังที่ก่อตัวขึ้น การศึกษาอนุภาคเหล่านี้ผ่านกรอบทางทฤษฎี เช่น แบบจำลองมาตรฐานและการทดลองที่แปลกใหม่ ยังคงท้าทายและขยายความรู้ของเราเกี่ยวกับจักรวาลต่อไป
