1.8 แบบจำลองมาตรฐาน
ด้วยความพยายามอย่างไม่ลดละของนักฟิสิกส์ ในที่สุดพวกเขาได้ข้อสรุป แนวคิดและทฤษฎีต่าง ๆ ที่สามารถใช้ทำนายปรากฏการณ์ อธิบายผลการทดลอง พฤติกรรม และอันตรกิริยาต่าง ๆ ที่มีต่อกันของอนุภาคนับร้อยอนุภาคที่พวกเขาค้นพบได้อย่างถูกต้องและแม่นยำ อีกทั้งยังได้มีการจัดจำแนกอนุภาคเหล่านั้นให้เป็นระบบ ภายใต้กรอบของทฤษฎีที่พวกเขาให้ชื่อว่า แบบจำลองมาตรฐาน (The Standard Model) ซึ่งสามารถนำมาอธิบายสมบัติของอนุภาคต่าง ๆ ที่ค้นพบได้
แบบจำลองมาตรฐาน ได้จัดอนุภาคมูลฐานในเอกภพที่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบ มาจนถึงปัจจุบันออกเป็น 3 กลุ่ม ได้แก่ อนุภาคสสาร (matter particle) อนุภาคสื่อแรง (force carriers) และ อนุภาคฮิกส์โบซอน (Higgs boson) ซึ่งมีมวลและประจุต่าง ๆ กัน ดังแสดงในรูป 1.21
รูป 1.21 การจัดจำแนกอนุภาคมูลฐานในแบบจำลองมาตรฐาน
อนุภาคมูลฐานกลุ่มแรก คือ อนุภาคสสารเป็นองค์ประกอบของสสารในเอกภพ ประกอบด้วย ควาร์ก (quark) และเลปตอน (lepton) ซึ่งมีมวลและประจุดังแสดงในรูป 1.21 โดยควาร์กทั้งหมดมีหกชนิด ได้แก่ ควาร์กอัพ (u)
ควาร์กดาวน์ (d) ควาร์กสเตรนจ์ (s) ควาร์กชาร์ม (c) ควาร์กทอป (หรือควาร์กทรูธ) (t) และ ควาร์กบอททอม (หรือบิวตี้ควาร์ก) (b) และเลปตอนมีหกชนิด ได้แก่ อิเล็กตรอน (e-) มิวออน (μ -) ทาว (τ-) อิเล็กตรอนนิวทริโน (νe ) มิวออนนิวทริโน (νμ) และ ทาวนิวทริโน (ντ )
อนุภาคมูลฐานกลุ่มที่สอง คือ อนุภาคสื่อแรง ได้แก่ โฟตอน ซึ่งเป็นอนุภาคสื่อแรงของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ซีโบซอน (Z0) และ ดับเบิลยูโบซอน (W±) ซึ่งเป็นอนุภาคสื่อแรงของแรงอ่อน (weak force) และ กลูออน (g) ซึ่งเป็นอนุภาคสื่อแรงของแรงเข้ม (strong force) อนุภาคสื่อแรงส่วนใหญ่ล้วนเป็นกลางทางไฟฟ้า ยกเว้น ดับเบิลยูโบซอน
อนุภาคมูลฐานกลุ่มที่สาม คือ ฮิกส์โบซอน (H) เป็นอนุภาคที่มีสมบัติเฉพาะตัว และเป็นสถานะทางควอนตัมของสนามฮิกส์ ซึ่งเป็นสนามที่ก่อกำเนิดมวลให้กับอนุภาคมูลฐานต่าง ๆ ฮิกส์โบซอน เป็นอนุภาคสุดท้ายในแบบจำลองมาตรฐานที่ได้รับการค้นพบจากการทดลองที่เซิร์นในปี ค.ศ. 2012 ซึ่งเป็นการค้นพบครั้งประวัติศาสตร์ ภายหลังจากที่นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามตรวจวัดฮิกส์โบซอนมาหลายทศวรรษ
ทั้งนี้ อนุภาคมูลฐานแต่ละอนุภาค ล้วนมีปฏิยานุภาคของอนุภาคนั้น ๆ โดยอนุภาคมูลฐานที่มีมวลและมีประจุไฟฟ้า จะมีปฏิยานุภาคที่มีสมบัติต่าง ๆ เหมือนกัน ยกเว้นมีประจุไฟฟ้าชนิดตรงข้าม ส่วนอนุภาคมูลฐานที่มีมวลแต่ไม่มีประจุไฟฟ้า จะมีปฏิยานุภาคมีสมบัติต่าง ๆ เหมือนกัน ยกเว้นสมบัติที่เรียกว่า สปิน ซึ่งจะได้เรียนรู้ในระดับสูงต่อไป นอกจากนี้ อนุภาคมูลฐานที่ไม่มีมวลและไม่มีประจุไฟฟ้า เช่น โฟตอน จะมีปฏิยานุภาคคืออนุภาคเดียวกัน
รูป 1.22 ภาพจากหน้าจอคอมพิวเตอร์แสดงรอยทางของอนุภาคต่าง ๆ ในเครื่องตรวจวัดอนุภาคที่เซิร์น ซึ่งเป็นภาพเหตุการณ์ที่มีการค้นพบฮิกส์โบซอน (ที่มา: McCauley, Thomas; Taylor, Lucas; for the CMS Collaboration, CERN)