1.7 ควาร์ก
วิธีการหนึ่งในการจัดจำแนกอนุภาคที่ถูกค้นพบจำนวนมาก ได้รับการนำเสนอในปี ค.ศ. 1961 โดย เกลล์-มานน์ (Murray Gell-Mann) และ ซไวก์ (George Zweig) โดยทั้งสองได้เสนอให้พิจารณาจากสมบัติที่เหมือนกันของอนุภาคแต่ละตัว เช่น ประจุไฟฟ้า สปิน แล้วนำมาจัดเรียงกันให้เป็นระบบ คล้ายกับการจัดจำแนกประเภทของธาตุต่าง ๆ ในตารางธาตุของเมนเดเลเยฟ (Dmitri Mendeleev) ซึ่งเกลล์-มานน ได้ให้ชื่อวิธีการจัดจำแนกอนุภาคลักษณะนี้ว่า แปดหนทาง (Eightfold Way) ตามจำนวนสมาชิกในกลุ่มอนุภาคที่มีมากที่สุด นั่นคือ 8 อนุภาคเมื่อจัดกลุ่มด้วยระบบนี้ ดังรูป 1.19
การจัดระเบียบการจำแนกอนุภาคของเกลล์-มานน และ ซไวก์ สามารถช่วยให้พวกเขาทำนายสมบัติของอนุภาคชนิดใหม่ ที่ยังไม่ได้รับการค้นพบในช่วงเวลานั้นได้อย่างแม่นยำ คล้ายกับ การทำนายธาตุที่ยังไม่มีการค้นพบ โดยอาศัยตารางธาตุของเมนเดเลเยฟ
รูป 1.19 (ซ้าย) เกลล์-มานน์ และ (ขวา) ภาพแสดงกลุ่มอนุภาค 2 กลุ่ม ที่มีสมาชิกเป็นอนุภาค 8 ชนิดจากการจัดกลุ่มด้วยวิธีแปดหนทาง ของเกลล์-มานน์ ซึ่งมีหลักการคือ อนุภาคที่อยู่ในแถวเดียวกันในแนวระดับเป็นอนุภาคที่มีเลขสเตรนจ์ (s) เท่ากัน ส่วนอนุภาคที่อยู่ในแนวทแยงจากด้านซ้ายมือบน ไปทางขวามือล่าง เป็นอนุภาคมีประจุ (q) เท่ากัน (ที่มาของรูป I, Laurascudder)
ด้วยความสำเร็จของวิธีจัดกลุ่มอนุภาคแบบแปดหนทาง ทำให้เกิดคำถามว่า ทำไมอนุภาคหลายร้อยตัวจึงมีการเรียงตัวในลักษณะเช่นนั้น และความพยายามในการหาคำตอบ ได้นำไปสู่การเสนอสมมติฐานที่ว่า อนุภาคที่นำมาจัดเรียงกันนั้นน่าจะมีองค์ประกอบที่เล็กกว่าอยู่ข้างใน ซึ่งเกลล์-มานน์ ได้ให้ชื่ออนุภาคดังกล่าวว่า ควาร์ก (quark) ตามคำที่มาจากบทประพันธ์ของกวีชาวไอร์แลนด์ที่เกลล์-มานน์ ชื่นชอบ
ควาร์กที่เกลล์-มานน์ ทำนายไว้มี 3 ชนิด ได้แก่
ควาร์กอัพ (up quark) เขียนแทนด้วย u
ควาร์กดาวน์ (down quark) เขียนแทนด้วย d
ควาร์กสเตรนจ์ (strange quark) เขียนแทนด้วย s
แนวคิดเกี่ยวกับควาร์กของเกลล์-มานน์ ทำให้วิธีการจัดจำแนกอนุภาคแบบแปดหนทางได้รับการพัฒนาต่อมาเป็น แบบจำลองควาร์ก (quark model) ซึ่งแบ่งอนุภาคจำนวนหลายร้อยตัวออกเป็น 2 จำพวก ได้แก่ แบริออน (baryon) และ มีซอน (meson)
อนุภาคจำพวกแบริออนประกอบด้วยควาร์กจำนวน 3 อนุภาค ส่วนอนุภาคจำพวกมีซอนประกอบด้วยควาร์กและแอนติควาร์ก อย่างละ 1 อนุภาค โดยโปรตอนและนิวตรอน ต่างเป็นอนุภาคจำพวกแบริออน ส่วนไพออนบวกที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก จัดเป็นอนุภาคจำพวกมีซอน เพราะ ประกอบด้วย
อัพควาร์ก 1 อนุภาค และดาวน์แอนติควาร์ก 1 อนุภาค ดังรูป 1.20
รูป 1.20 แผนภาพแสดงการระบุควาร์กแต่ละชนิดที่เป็นองค์ประกอบภายในของแบริออนและมีซอน ตามการ
จัดกลุ่มอนุภาคแบบแปดหนทาง
ปัจจุบัน นักฟิสิกส์พบว่า ควาร์กมีอยู่ด้วยกัน 6 ชนิด และควาร์กแต่ละชนิด มีแอนติควาร์กของตัวมันเอง ดังแสดงในตารางที่ 1 โดยควาร์กสุดท้ายที่ได้รับการค้นพบ คือ ควาร์กทอป (top quark) หรือ ควาร์กทรูธ (truth quark) ซึ่งได้รับการค้นพบในปี ค.ศ. 1995 จากการวิจัยที่เเฟร์มีแล็บ (The Fermi National Accelerator Laboratory, Fermilab) ซึ่งตั้งอยู่ที่ มลรัฐอิลลินอยส์ ประเทศสหรัฐอเมริกา
ตารางที่ 1 ควาร์กและแอนติควาร์กทั้ง 12 ชนิด
ที่มา: R.L. Workman et al. (Particle Data Group), Prog. Theor. Exp. Phys. 2022, 083C01 (2022) and 2023 update