Історично термін елементарні частинки був введений для тих часток, які вважалися неподільними і безструктурними, і з яких побудована вся матерія.
У сучасній фізиці цей термін вживається менш суворо - для позначення великої групи "найдрібніших частинок матерії", які не є атомами і атомними ядрами (єдиним винятком є протон.)
У групу елементарних частинок крім протона входять нейтрон, фотон, а також пі-мезони, мюони, важкі лептони , нейтрино трьох типів (електронне, мюонне і - нейтрино), дивні частинки (K - мезони, гіперонів), величезна кількість різноманітних резонансів, мезони з прихованим зачаруванням (J / , ) та ін "зачаровані" частинки, іпсилон-частинки (), "красиві" частинки, проміжні векторні бозони (W , Z0) - число таких частинок продовжує рости - (відкрито 1000) і, швидше за все, необмежено велике.
Більшість перерахованих частинок, строго кажучи, не відповідають критеріям елементарності, тому що є складовими об'єктами. У відповідності зі сформованою практикою термін "елементарні частки" вживається для позначення всіх суб'ядерних частинок. При обговоренні частинок, що претендують на роль первинних елементів матерії, використовують термін істинно елементарні або фундаментальні частинки. При цьому, поряд з уже відомими частками, такими як електрон, фотон і нейтрино, теоретики змушені вводити нові частинки, які ще тільки належить виявити. Частина ж необхідних частинок (наприклад, кварки) виявилося необхідним наділити такими властивостями, що вони ніколи не будуть виявлені у вільному стані (поза складових елементарних частинок).
Вивчення елементарних частинок і їх взаємодій представляє прямий (можливо єдиний) шлях до розуміння фундаментальних законів природи.
Інформація про елементарні частинки виходить або в результаті експериментів з космічними променями, або з допомогою побудованих прискорювачів.
Залежно від типу прискорюваних частинок розрізняють протонні та електронні прискорювачі. Крім того, прискорювачі бувають кільцеві й лінійні.
У кільцевих прискорювачах, уздовж всього кільця, в якому, рухаються розгоняться заряджені частинки і з яких відкачано повітря, стоять електромагніти. Чим сильніше магнітне поле, тим більш енергійні частинки можуть бути утримані всередині кільця (камери). Розганяються частинки за допомогою електричного поля в прискорюють проміжках, які розташовані вздовж кільця. У кільцевому прискорювачі, де частка може багаторазово пролетіти уздовж кільця. поки не набере потрібну енергію, електричне поле може бути не дуже сильним. У лінійному прискорювачі (принципова схема якого наведена на Рис. 7), навпаки, прискорюють електричні потенціали повинні бути гранично високими, тому що частка має набрати всю свою енергію за один проліт. (Лінійні прискорювачі використовуються також і для отримання високоенергічних пучків іонів і ядер.)
Один з найбільших діючих лінійних прискорювачів (SLAC) розташований в Станфорде (поблизу Сан-Франциско, США). На Рис. 8 показаний один з робочих моментів в тунелі цього прискорювача в підготовчій стадії експерименту.
| Рис. 7 |
Ефективність на одиницю довжини у протонних кільцевих прискорювачів більше, ніж для електронних. Це пов'язано з тим, що електрони, будучи більш легкими, більш інтенсивно випромінюють так зване синхротронне випромінювання. Щоб зменшити втрати енергії на синхротронне випромінювання, потрібно зменшувати доцентрове прискорення розганяється частинки, а для цього необхідно збільшувати радіуси прискорювачів.
Після того, як частки розігналися до необхідної енергії, їх пучок спрямовують на мішень, в якій, стикаючись з ядрами речовини, частки пучка народжують нові частинки. За допомогою спеціальних магнітів (заряджені) частки, що вилетіли з мішені, формуються у вторинні пучки, які направляються в установки, детектуючі ці частинки та їх взаємодії.
В останні роки все більшого значення набувають такі прискорювачі, в яких розігнані частинки стикаються не з нерухомою міщень, а з пучком частинок, прискорених у протилежному напрямку. Перевагою таких прискорювачів (коллайдеров) є те, що вони дають великий виграш корисної енергії, яку можна використовувати для народження нових частинок.
Труднощі сучасного етапу вивчення фундаментальних взаємодій пов'язані з двома головними факторами.
По-перше, будівництво нових прискорювачів надзвичайно "дороге задоволення" - вони обходяться в десятки мільярдів доларів.
По-друге (і це найголовніша трудність), що в земних умовах найпотужніший прискорювач, який людство в принципі могло б побудувати, дозволить досягти лише енергій 107 ГеВ. (1 Гев = 109 еВ). Тоді як для перевірки висновків, скажімо, теорії суперструн необхідна енергія 1019 ГеВ. (Оцінки показують, що для розгону частинок до набагато "скромніших" енергій 1015 ГеВ при найсміливішої екстраполяції сучасних технологічних можливостей необхідно мати прискорювач з лінійними розмірами у кілька світлових років!)
Тому стає все більш очевидним, що Всесвіт, це єдиний прискорювач, який коли-небудь міг виробляти частинки з енергіями, достатніми для перевірки висновків т.зв. єдиних калібрувальних теорій і яким ми можемо користуватись практично безкоштовно! Людям потрібно лише навчитися правильно обробляти результати вже "поставленого експерименту."
З цієї точки зору набагато більші зусилля в доступному для огляду майбутньому слід витрачати не на побудову нових суперускорітелей (хоча вони, звичайно, також потрібні), а на дослідження в т.зв. нейтринної астрономії, спрямованої на реєстрацію реліктових нейтрино, тобто нейтрино, народжених у найперші хвилини життя Всесвіту.