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[3][2]. 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].

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.

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].