อนุภาคมูลฐานและแบบจำลองมาตรฐาน

อะตอมเคยถูกคิดว่าเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดของสสาร จนกระทั่งมีการค้นพบอิเล็กตรอนในปี ค.ศ. 1897 และนิวเคลียสในปี ค.ศ. 1911 ต่อมาพบว่าโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสก็ยังแยกย่อยได้อีก ปัจจุบันนักฟิสิกส์เชื่อว่าอนุภาคชุดหนึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานจริง คือไม่มีโครงสร้างภายใน และจัดรวมกันในแบบจำลองมาตรฐาน

อนุภาคสสาร: เฟอร์มิออน

อนุภาคที่ประกอบเป็นสสารแบ่งเป็นสองตระกูล แต่ละตระกูลมีสามรุ่นที่เหมือนกันทุกอย่างยกเว้นมวล

• ควาร์ก หกชนิด ได้แก่ อัพ ดาวน์ ชาร์ม สเตรนจ์ ท็อป และบอตทอม ควาร์กไม่เคยพบอยู่เดี่ยว ๆ จะรวมกันเสมอ เช่น โปรตอนคืออัพสองตัวกับดาวน์หนึ่งตัว นิวตรอนคืออัพหนึ่งตัวกับดาวน์สองตัว อนุภาคที่ประกอบด้วยควาร์กสามตัวเรียกว่าแบริออน
• เลปตอน หกชนิด ได้แก่ อิเล็กตรอน มิวออน เทา และนิวทริโนคู่ของแต่ละตัวอีกสามชนิด

สสารธรรมดาเกือบทั้งหมดในเอกภพประกอบด้วยรุ่นแรกเท่านั้น คือ ควาร์กอัพ ควาร์กดาวน์ และอิเล็กตรอน รุ่นที่สองและสามหนักกว่าและสลายตัวอย่างรวดเร็ว พบได้ในรังสีคอสมิกและเครื่องเร่งอนุภาค

อนุภาคพาแรง: โบซอน

• โฟตอน พาแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ไม่มีมวล
• กลูออน พาแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม ยึดควาร์กไว้ด้วยกัน มีแปดชนิด
• โบซอน W และ Z พาแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน หนักมาก (ราว 80 ถึง 91 เท่าของโปรตอน) แรงนี้จึงมีระยะทำการสั้นมาก
• ฮิกส์โบซอน เกี่ยวข้องกับสนามฮิกส์ ซึ่งทำให้อนุภาคมูลฐานมีมวล ค้นพบที่เซิร์น (CERN) ในปี ค.ศ. 2012

มวลของคุณมาจากไหน

สนามฮิกส์ให้มวลแก่ควาร์กและอิเล็กตรอน แต่มวลของควาร์กอัพและดาวน์รวมกันคิดเป็นเพียงราว 1% ของมวลโปรตอน มวลที่เหลือราว 99% มาจากพลังงานของกลูออนและการเคลื่อนที่ของควาร์กภายในโปรตอน ตามความสัมพันธ์ E = mc² มวลของร่างกายเราจึงเกือบทั้งหมดเป็นพลังงานของแรงนิวเคลียร์อย่างเข้มที่ถูกกักไว้

เกี่ยวกับดาราศาสตร์อย่างไร

• ดาวฤกษ์ ส่องแสงได้เพราะแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนเปลี่ยนโปรตอนเป็นนิวตรอน และแรงอย่างเข้มยึดนิวเคลียสใหม่ไว้
• บิกแบง ในไมโครวินาทีแรก เอกภพร้อนจนควาร์กยังไม่รวมกันเป็นโปรตอน เป็นสภาพที่เครื่องเร่งอนุภาคจำลองได้ในระดับเล็ก
• ดาวนิวตรอน คือนิวเคลียสขนาดยักษ์ที่ใหญ่เท่าเมือง
• นิวทริโน จากดวงอาทิตย์และซูเปอร์โนวาเป็นหน้าต่างใหม่ในการดูเอกภพ

สิ่งที่แบบจำลองมาตรฐานยังอธิบายไม่ได้

แม้จะทำนายผลการทดลองได้แม่นยำอย่างน่าทึ่ง แบบจำลองนี้ยังไม่ครอบคลุมแรงโน้มถ่วง ไม่มีอนุภาคที่เป็นสสารมืดได้ อธิบายไม่ได้ว่าทำไมเอกภพมีสสารมากกว่าปฏิสสาร และเดิมทำนายว่านิวทริโนไม่มีมวล ซึ่งภายหลังพบว่าไม่จริง นักฟิสิกส์จึงเชื่อว่ายังต้องมีฟิสิกส์ที่ลึกกว่านี้อีก