Фундаментальная частица

Фундамента́льная части́ца — бесструктурная элементарная частица^[1], которую до настоящего времени не удалось описать как составную^[2]. Частицы, которые в настоящее время считаются элементарными, включают фундаментальные фермионы (кварки, лептоны, антикварки и антилептоны), которые обычно представляют собой «частицы вещества» и «частицы антивещества», а также фундаментальные бозоны (калибровочные бозоны и бозон Хиггса), которые, как правило, являются «частицами силы», которые опосредуют взаимодействия между фермионами^[2]^[3]. Частица, содержащая две или более элементарных частиц, представляет собой составную частицу.

Обычная материя состоит из атомов, когда-то считавшихся элементарными частицами — в переводе с греческого «атом» означает «неделимый, неразрезаемый», хотя существование атома оставалось спорным примерно до 1910 года, так как некоторые ведущие физики рассматривали молекулы как математические иллюзии, а материя в конечном итоге состояла из энергии^[2]^[4]. Субатомные составляющие атома были определены в начале 1930-х годов; электроны и протоны, наряду с фотоном, частицей электромагнитного излучения^[2]. В то время недавнее появление квантовой механики радикально изменило концепцию частиц, так как отдельная частица могла бы, казалось бы, охватить поле, как волна. Этот парадокс все ещё не получил удовлетворительного объяснения^[5]^[6].

С помощью квантовой теории было обнаружено, что протоны и нейтроны содержат кварки (верхний и нижний), считающиеся элементарными частицами^[2]. В пределах молекулы электрон имеет три степени свободы (заряд, спин, орбиталь), которые можно отделить с помощью волновой функции на три квазичастицы (холон, спинон, орбитон)^[7]. Тем не менее, свободный электрон, который не вращается вокруг атомного ядра и не имеет орбитального движения, кажется неделимым и остается элементарной частицей^[7].

Приблизительно в 1980 году статус элементарной частицы как действительно элементарного — конечной составляющей вещества — был в основном отвергнут для более практического взгляда^[2], который воплотился в Стандартную модель физики элементарных частиц, известную как наиболее экспериментально успешную теорию науки^[6]^[8]. Многие разработки и теории за пределами Стандартной модели, включая популярную суперсимметрию, удваивают число элементарных частиц, выдвигая гипотезу о том, что каждая известная частица ассоциируется с «теневым» партнёром гораздо более массивным^[9]^[10], хотя все такие суперпартнёры остаются нераскрытыми^[8]^[11]. Между тем элементарный бозон, опосредующий гравитацию (гравитон), остается гипотетическим^[2]. Кроме того, как показывают гипотезы, пространство-время, вероятно, квантуется, поэтому, скорее всего, существуют «атомы» пространства и самого времени^[12].

Фундаментальные бозоны

Фундаментальные бозоны:

Название	Заряд (e)	Спин	Масса (ГэВ)	Переносимое взаимодействие
Фотон	0	1	0	Электромагнитное взаимодействие
W^±	±1	1	80,4	Слабое взаимодействие
Z⁰	0	1	91,2	Слабое взаимодействие
Глюон	0	1	0	Сильное взаимодействие
Бозон Хиггса	0	0	≈125,09±0,24^[13]	Инертная масса

Фундаментальные фермионы

Фундаментальные фермионы:

	Название/ аромат кварка/ антикварка	Символ кварка/ антикварка	Масса (МэВ)	Название/ аромат кварка/ антикварка	Символ кварка/ антикварка	Масса (МэВ)
Поколение	Кварки с зарядом (+2/3)e			Кварки с зарядом (−1/3)e
1	u-кварк (up-кварк) / анти-u-кварк	$u/\,{\overline {u}}$	от 1,5 до 3	d-кварк (down-кварк) / анти-d-кварк	$d/\,{\overline {d}}$	4,79±0,07
2	c-кварк (charm-кварк) / анти-c-кварк	$c/\,{\overline {c}}$	1250 ± 90	s-кварк (strange-кварк) / анти-s-кварк	$s/\,{\overline {s}}$	95 ± 25
3	t-кварк (top-кварк) / анти-t-кварк	$t/\,{\overline {t}}$	174 340 ± 790^[14]	b-кварк (bottom-кварк) / анти-b-кварк	$b/\,{\overline {b}}$	4200 ± 70

У всех кварков есть также электрический заряд, кратный 1/3 элементарного заряда. В каждом поколении один кварк имеет электрический заряд +2/3 (это u-, c- и t-кварки) и один — заряд −1/3 (d-, s- и b-кварки); у антикварков заряды противоположны по знаку. Кроме сильного и электромагнитного взаимодействия, кварки участвуют в слабом взаимодействии.

Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Их античастицы — антилептоны (античастица электрона называется позитрон по историческим причинам). Существуют лептоны шести ароматов:

	Название	Символ	Электрический заряд (e)	Масса (МэВ)	Название	Символ	Электрический заряд (e)	Масса (МэВ)
Поколение	Заряженный лептон / античастица				Нейтрино / антинейтрино
1	Электрон / Позитрон	$e^{-}\,/\,e^{+}$	−1 / +1	0,511	Электронное нейтрино / Электронное антинейтрино	$\nu _{e}\,/\,{\overline {\nu }}_{e}$	0	< 0,0000022^[15]
2	Мюон	$\mu ^{-}\,/\,\mu ^{+}$	−1 / +1	105,66	Мюонное нейтрино / Мюонное антинейтрино	$\nu _{\mu }\,/\,{\overline {\nu }}_{\mu }$	0	< 0,17^[15]
3	Тау-лептон	$\tau ^{-}\,/\,\tau ^{+}$	−1 / +1	1776,99	Тау-нейтрино / тау-антинейтрино	$\nu _{\tau }\,/\,{\overline {\nu }}_{\tau }$	0	< 15,5^[15]

История

До XVII века фундаментальными частицами считались 4 стихии/элемента^[16].

До начала XX века фундаментальными частицами считались атомы^[17]. Далее фундаментальными частицами стали считать атомное ядро и электрон^[18]. Далее было открыто, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов и они стали считаться фундаментальными, а не ядро^[19]. Потом было открыто, что протоны и нейтроны состоят из кварков^[20].