Физика элементарных частиц или физика высоких энергий — это изучение фундаментальных частиц и сил , составляющих материю и излучение . Фундаментальные частицы во Вселенной классифицируются в Стандартной модели как фермионы (частицы материи) и бозоны (частицы, несущие силу). Существует три поколения фермионов, хотя обычная материя состоит только из первого поколения фермионов. Первое поколение состоит из верхних и нижних кварков , которые образуют протоны и нейтроны , а также электроны и электронные нейтрино . Три фундаментальных взаимодействия, которые, как известно, опосредуются бозонами, — это электромагнетизм , слабое взаимодействие и сильное взаимодействие .
Кварки не могут существовать сами по себе, а образуют адроны . Адроны, содержащие нечетное число кварков, называются барионами , а те, которые содержат четное число, — мезонами . Два бариона, протон и нейтрон , составляют большую часть массы обычного вещества. Мезоны нестабильны, и самые долгоживущие из них живут всего несколько сотых микросекунды . Они происходят после столкновений частиц, состоящих из кварков, таких как быстродвижущиеся протоны и нейтроны в космических лучах . Мезоны также производятся в циклотронах или других ускорителях частиц .
Частицам соответствуют античастицы той же массы , но с противоположными электрическими зарядами . Например, античастицей электрона является позитрон . Электрон имеет отрицательный электрический заряд, позитрон – положительный. Эти античастицы теоретически могут образовывать соответствующую форму материи, называемую антиматерией . Некоторые частицы, например фотон , являются собственными античастицами.
Эти элементарные частицы являются возбуждениями квантовых полей , которые также управляют их взаимодействиями. Доминирующая теория, объясняющая эти фундаментальные частицы и поля, а также их динамику, называется Стандартной моделью . Согласование гравитации с современной теорией физики элементарных частиц не решено; Многие теории решают эту проблему, такие как петлевая квантовая гравитация , теория струн и теория суперсимметрии .
Практическая физика элементарных частиц — это изучение этих частиц в радиоактивных процессах и в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер . Теоретическая физика элементарных частиц — это изучение этих частиц в контексте космологии и квантовой теории . Эти два явления тесно взаимосвязаны: бозон Хиггса был постулирован физиками-теоретиками элементарных частиц, а его наличие подтверждено практическими экспериментами.
Идея о том, что вся материя состоит из элементарных частиц, датируется как минимум VI веком до нашей эры. [1] В 19 веке Джон Дальтон в своих работах по стехиометрии пришел к выводу, что каждый элемент природы состоит из одного уникального типа частиц. [2] Слово атом , от греческого слова атомос , означающего «неделимый», с тех пор обозначает мельчайшую частицу химического элемента , но физики вскоре обнаружили, что атомы на самом деле не являются фундаментальными частицами природы, а представляют собой конгломераты. еще более мелких частиц, таких как электрон . Исследования ядерной и квантовой физики в начале 20-го века привели к доказательству ядерного деления в 1939 году Лизой Мейтнер (на основе экспериментов Отто Хана ) и ядерного синтеза Ганса Бете в том же году; оба открытия также привели к разработке ядерного оружия .