อนุภาคมูลฐาน(Elementary Paticles)-องค์ประกอบเบื้องต้นของวัตถุ โมเลกุล ประกอบด้วยอะตอม ซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานทางเคมีของธาตุ

อะตอมประกอบด้วยอนุภาคย่อยลงไปอีก คือ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน และโปรตอนกับนิวตรอน ก็ยังประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กลงไปอีก เรียกว่า คว้าก (quark) ปัจจุบัน เชื่อกันว่าวัตถุประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐาน 2 อย่าง คือ คว้าก กับเลปตอน (lepton) ซึ่งอิเล็กตรอน ก็เป็นเลปตอนชนิดหนึ่ง

ปัจจุบันเชื่อว่า ทั้งคว้ากและเลปตอน แบ่งออกเป็น 6 ชนิด แต่ละชนิด ยังมีปฏิอนุภาค (antiparticle) ซึ่งเป็นอนุภาคแบบเดียวกัน มีมวลเท่ากัน แต่มีประจุไฟฟ้า และโมเมนต์แม่เหล็กตรงข้ามกัน

ปัจจุบันยังไม่พบคว้ากที่เป็นอิสระ แต่จะพบรวมกันเป็น 2 หรือ 3 อนุภาค กับ quark หรือ antiquark อื่น เป็นอนุภาคที่เรียกว่า hadrons ซึ่งพบแล้วมากกว่า 200 ชนิด มี 2 ทฤษฎี ที่ทำนายถึงการมีอนุภาคที่มี 5 quark เรียกว่า pentaquark ซึ่งสามารถผลิตขึ้นได้แล้ว ในห้องปฏิบัติการ ส่วนอนุภาคที่ประกอบด้วย 4 และ 6 quark มีทฤษฎีที่ทำนายไว้เช่นกัน แต่ยังไม่มีการตรวจพบ

lepton ที่รู้จักกันมากที่สุด คือ อิเล็กตรอน ส่วนอีก 5 ชนิด ได้แก่ muon, อนุภาค tau, และนิวตริโน (neutrino) อีก 3 ชนิด คือ electron neutrino, muon neutrino และ tau neutrino

quark 6 ชนิด มีการตั้งชื่อกันไว้แปลกๆ คือ up, down, charm, strange, top (truth), และ bottom (beauty)

top quark เป็นอนุภาคที่มีมวลมากกว่าอะตอมของทอง และมีน้ำหนัก มากกว่าอนุภาคตัวถัดมาประมาณ 35 เท่า ซึ่งอาจเป็นอนุภาคที่หนักที่สุด ที่มีในธรรมชาติ quark ที่พบในวัตถุทั่วๆ ไป คือ quark นิด up และ down ซึ่งเป็นองค์ประกอบของโปรตอนกับนิวตรอน โดยโปรตอนประกอบด้วย 2 up quark กับ 1 down quark ส่วนนิวตรอนประกอบด้วย 1 up quark กับ 2 down quark pentaquark ประกอบด้วย 2 up quark 2 down quark กับ 1 strange quark (quark มีประจุเป็น 1/3 หรือ 2/3 ของประจุมูลฐานของอิเล็กตรอน หรือโปรตอน)

ประวัติการค้นพบอนุภาคมูลฐาน

อนุภาคของอะตอมชนิดแรกที่ถูกค้นพบ คือ อิเล็กตรอน ในปี 1897 โดย J. J. Thomson ในปี 1911 Ernest Rutherford ได้ค้นพบนิวเคลียส และต่อมาได้พบว่า นิวเคลียสของไฮโดรเจนปกติ มีโปรตอนเดียว ในปี 1932 มีการค้นพบนิวตรอน และพบว่า อะตอมมีนิวเคลียสอยู่ที่ศูนย์กลาง ประกอบด้วยโปรตอนกับนิวตรอน มีอิเล็กตรอนโคจรอยู่โดยรอบ แต่ขณะนั้นยังไม่มีการพบอนุภาคมูลฐานชนิดอื่น
ในปี 1928 P. A. M. Dirac ได้เสนอทฤษฎี relativistic quantum theory โดยตั้งสมมติฐานว่า มีอิเล็กตรอนประจุบวก หรือ positron ซึ่งเป็น antiparticle ของอิเล็กตรอน และได้มีการค้นพบเป็นครั้งแรกในปี 1932 และในการพยายามอธิบายการสลายตัวของรังสีบีตา ทำให้ทำนายถึงการมีอนุภาคนิวตริโน (neutrino) ในปี 1930และมีทฤษฎียืนยันเรื่องนิวตริโน ในปี 1934 แต่ก็ยังไม่ตรวจไม่พบจนกระทั่งปี 1956 ได้มีการเสนอการมีอนุภาคชนิดอื่นเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ โดย ไอน์สไตน์ (Einstein) ได้เสนอเรื่องอนุภาคโฟตอน (photon) เป็นครั้งแรกในปี 1905 โดยเป็นส่วนหนึ่งของทฤษฎีควอนตัมของปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก (quantum theory of the photoelectric effect)
อนุภาคชนิดต่อมา ถูกค้นพบเมื่อมีความพยายามที่จะอธิบายเรื่อง strong interaction หรือแรงนิวเคลียร์แบบแรง (strong nuclear force) ที่ยึดเหนี่ยวโปรตอนกับนิวตรอนไว้ด้วยกันในนิวเคลียสของอะตอม ในปี 1935 Hideki Yukawa เสนอว่ามีอนุภาค meson ซึ่งเป็นอนุภาคมีประจุ ที่มีมวลระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตอน แลกเปลี่ยนกันระหว่างนิวคลีออน (nucleon) โดย meson ที่ให้อออกมาจากนิวคลีออนหนึ่ง จะถูกดูดกลืนโดยอีกนิวคลีออนหนึ่ง ทำให้เกิด strong force ระหว่างนิวคลีออน คล้ายกับแรงที่เกิดจากจากการแลกเปลี่ยนโฟตอน ระหว่างอนุภาคมีประจุ ทำให้เกิดแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (ปัจจุบันตัวลางขง strong force เรียกว่า gluon) ในปีต่อมาอนุภาคที่มีมวลขนาดกลางนี้จึงถูกค้นพบ โดยมีมวลประมาณ 200 เท่าของอิเล็กตรอน และได้ตั้งชื่อว่า mu meson หรือ muon แต่อนุภาคนี้ไม่ได้เป็นไปตามทฤษฎีของอนุภาค จนปี 1947 อนุภาคที่ Yukawa ทำนายไว้จึงถูกค้นพบ โดยตั้งชื่อว่า pi meson หรือ pion
ทั้ง muon และ pion ตรวจพบได้ครั้งแรกจากรังสีคอสมิก และเมื่อมีการศึกษามากขึ้น ก็พบว่ารังสีคอสมิก ยังมีอนุภาคอีกหลายชนิด ในปี 1950 มีการตรวจพบอนุภาคเหล่านี้ ในห้อปฏิบัติการจากการทำให้อนุภาคที่มีพลังงานสูงชนกัน โดยใช้เครื่องเร่งอนุภาค
ขีดจำกัดอันหนึ่งในการศึกษาอนุภาคมูลฐาน คือ การเชื่อมต่อระหว่างข้อกำหนดต่างๆของอนุภาคเข้ากับจักรวาลวิทยา (cosmology) ตัวอย่างเช่น quark กับ lepton ซึ่งเป็นอนภาคที่อยู่ในกลุ่ม three family โดยแต่ละ family ประกอบด้วย 2 quark กับ 2 lepton คาดกันว่าน่าจะมีการค้นพบอนุภาคมูลฐาน family อื่นเพิ่มขึ้นอีก แต่ในการศึกษาทางจักรวาลวิทยาที่ผ่านมา มีความเห็นกันว่าจะมีอนุภาคได้ไม่เกิน 4 family และในทฤษฎีจักรวาลวิทยา (cosmological theory) ซึ่งได้รับการยืนยันจากผลการทดลองจากห้องปฏิบัติการของเครื่องเร่งอนุภาคสแตนฟอร์ด (Stanford Linear Accelerator) และห้องปฏิบัติการ CERN ในสวิสเซอร์แลนด์ ชี้ให้เห็นว่า ไม่มีอนุภาคมูลฐานเกินกว่าที่มีการพบกันมาแล้วขณะนี้ 3 family

ขอบคุณข้อมูล https://www.nst.or.th/