Przyroda jest w olbrzymim stopniu złożona i skomplikowana, jeśli cały Wszechświat porównamy do murowanego domu, to zadaniem fizyki jest poznanie w jaki sposób jest on zbudowany, jakie prawa decydują one o tym, że stoi w takiej postaci a nie w innej, jakie cegły go budują, raz jaki rodzaj zaprawy utrzymuje wszystkie elementy ze sobą. Mówiąc krótko fizyka poszukuje z jakich podstawowych elementów składa się cały otaczający nas Wszechświat. Tymi składnikami budującymi całą otaczającą nas przyrodę są cząstki elementarne.

W dawnych czasach, jeszcze w starożytności, wielu filozofów uważało że głównymi składnikami, jakie budują całą otaczającą nas przyrodę są cztery żywioły: ziemia, ogień, powietrze i woda. Natomiast tworzywo które składa się z tych elementów jest ciągłe, a nie ziarniste. W związku z czym uważali że każdą substancję można dzielić w nieskończoność. Jednak zupełnie inny pogląd przedstawił w IV w p.n.e Demokryt z Abdery. Uważał on bowiem że cała materia złożona jest z bardzo małych niepodzielnych i wiecznie trwających cząstek - z atomów.

Taki pogląd utrzymywał się przez długie lata i wieki i do XIX wieku wszyscy fizycy byli podobnego zdania. Jednakże dzisiaj, już praktycznie każdy człowiek, nie tylko fizyk wie dokładnie że atomy są podzielne. Natomiast już tylko fizyk może wiedzieć, że elementarnymi cząstkami z których złożona jest cała otaczająca nas materia są leptony (min. elektron) i kwarki (które budują min. protony i neutrony znajdujące się w jądrze atomowym). Teraz pozostaje jeszcze dowiedzieć się jakiej zaprawy użyto do złożenia tych wszystkich elementów w jedną całość, czyli jakie oddziaływania występują pomiędzy tymi cząstkami. Otóż te elementarne cegiełki, oddziałują na siebie siłami które powodują że wiążą się one w większe struktury, dzięki czemu powstają mniej lub bardziej trwałe obiekty, od pojedynczych atomów, po ciała stałe, ciecze, gazy, aż do gwiazd, czy galaktyk. To dzięki tym oddziaływaniom otaczający nas świat jest w ciągłym ruchu, jest pełen energii, która jest odpowiedzialna za istnienie wielu zdumiewających zjawisk zarówno na naszej planecie jak i w całym Wszechświecie. W wyniku prowadzonych badań nad energią elementów składowych materii, okazało się, że i ona jest podzielona i przenoszona jest w elementarnych paczkach, które nazwano kwantami. Pierwszym człowiekiem który zauważył ten fenomen był genialny fizyk Max Planck, który w czasie swoich badań nad naturą światła, stwierdził, iż promieniowanie elektromagnetyczne jest przenoszone za pomocą porcji energii, którą mogą być pochłaniane i emitowane. W dalszym czasie w 1905 roku Einstein rozszerzył ideę jaką przedstawił Planck i stwierdził, że światło to tak naprawdę strumień cząstek - fotonów. W wyniku dalszych badań okazało się, że jest to tylko element bardziej ogólnego zjawiska w fizyce, a mianowicie transportu oddziaływań pomiędzy cząstkami. Okazało się bowiem że z każdą siłą obserwowaną w przyrodzie, z każdym oddziaływaniem związane są pewne tzw. bozony pośredniczące. Bozony te podobnie jak i fotony zaliczono to cząstek elementarnych. Tak więc krótko podsumowując można powiedzieć, że cała materia zbudowana jest z elementarnych cząstek. W przyrodzie występują elementarne cegiełki - cząstki (fermiony - kwarki i leptony) które budują materię, oraz zaprawa, która także jest pod postacią elementarnych cząstek (bozony pośredniczące będące kwantami oddziaływań), a która odpowiada za oddziaływania pomiędzy elementami materii. Tak więc spróbujmy zdefiniować co rozumiemy pod pojęciem cząstki elementarnej:

Cząstka elementarna - stanowi podstawowy składnik materii. Jednak w chwili obecnej nie jest możliwe dokładne określenie definicji cząstki elementarnej, która uwzględniałaby także wszystkie nowo odkrywane obiekty w tym zakresie. W praktyce jednakże stosuje się taką klasyfikację, że za cząstkę elementarną uważa się każdą cząstkę której czas życia jest dłuższy niż 10-24 s, a masa jest nie większa niż 10-30 kg. Oczywiście w przypadku takiej cząstki niemożliwym powinno być opisanie jej jako układu innych cząstek. Z tego też względu atomu, czy jądra atomowego nie można uznać za cząstkę elementarną.

Elektron

Gdy wiek XIX zbliżał się ku końcowi, fizykom na całym świecie zdawało się, że poznali już całą strukturę materii i że rozumieją już wszystkie prawa natury. Określono podstawowe prawa mechaniki, elektryczności, magnetyzmu i grawitacji które spisano za pomocą eleganckich równań matematycznych. Poznane pierwiastki chemiczne uporządkowano w tablicy Mendelejewa. I wszystko wyglądało pięknie i porządnie, poza kilkom problemami, które wówczas uważano za niewielkie i że wkrótce da się je prosto rozwiązać. Jednak jak się okazało problemy te były tylko wierzchołkami góry lodowej, która z wielkim impetem uderzyła w statek jakim płynęła XIX - wieczna fizyka, totalnie spychając ją z kursu. Okazało się, że do opisu mikroświata fizyka potrzebowała zupełnie nowej teorii.

Jednym z takich czubków góry lodowej było odkrycie w 1897 roku elektronu przez J. J. Thomsona, czyli jednego ze składników atomu, który posiadał ujemny ładunek. Była to pierwsza z cząstek jakie później określono mianem elementarnych. W swojej przełomowej pracy Thomson zawarł obliczenia dotyczące pomiaru stosunku masy do ładunku odkrytej przez siebie cząstki, która to była składnikiem promieni emanujących z katody. Tą wielkość co prawda w tym samym czasie co Thomson zmierzył jeszcze Walter Kaufman i to z większą dokładnością, jednakże o sławie Thomsona przesądziło to, że on jako pierwszy zauważył, iż stosunek ten jest niezależny od materiału z jakiego jest zrobiona katoda. A to praktycznie natychmiast nasunęło mu spostrzeżenie że ta cząstka musi być podstawowym składnikiem z jakich zbudowane są atomy. W późniejszym czasie Thomson także wyjaśnił naturę prądu elektrycznego, jako przepływu elektronów przez przewodnik.

Elektron - elementarna cząstka, która posiada ładunek elementarny wynoszący -1,602*10-19C. Była to pierwsza odkryta cząstka elementarna. Dzisiaj to odkrycie można uznać za narodziny fizyki cząstek elementarnych. Odkrycie elektronu spowodowało, że już nikt nie miał wątpliwości, że atomy można podzielić. W 1911 roku E. Rutherford w wyniku przeprowadzonych przez siebie badań stwierdził, że cały dodatni ładunek atomu znajduje się w jego centralnej części - w jądrze. Stwierdził także, że w jądrze tym skupiona jest prawie cała masa atomu. W 1913 roku Niels Bohr ogłosił swój słynny model budowy atomu, który dzisiaj określa się także mianem modelu planetarnego. W modelu tym Bohr założył, że elektrony krążą po orbitach kołowych wokół jądra atomowego. Przy czym tylko określone orbity były dozwolone dla elektronów. Dziś już wiemy, że model ten nie mógł działać i że ruch elektronu nie przypomina żadnego klasycznego ruchu. Jego obecność wokół jądra określa się za pomocą funkcji gęstości prawdopodobieństwa.

Jak dotąd nie wykazano iż elektron może mieć jakąś wewnętrzną strukturę. Obecnie przyjmuje się, że elektron ma promień r = 2,82*10-15m. Tak więc patrząc z perspektywy czasu, to gdy nauka wkraczała w XX wiek, wiedziała o istnieniu jednej cząstki elementarnej - elektronu.

Proton i neutron

W czternaście lat po ogłoszeniu przełomowego odkrycia przez Thomsona, w 1911 roku E. Rutherford odkrył kolejny składnik budujący atomy - jądro atomowe. W 8 lat później udało mu się rozbić jądro azotu na dwie części składowe - jądro wodoru i jądro tlenu. Wtedy to Rutherford zaczął spekulować, że to jądra najlżejszego z pierwiastków - wodoru, są elementami składowymi budującymi materię. Wkrótce stwierdzono definitywnie, iż atomy nie mogą być niepodzielnymi składnikami materii, skoro istnieje także zjawisko promieniotwórczości w wyniku którego atomy emitują elektrony, a także inne cięższe cząstki. Te inne cząstki nazwano protonami i stwierdzono że ich masa wynosi 1836,1 mas elektronu, a ich czas życia jest na pewno nie krótszy niż 1032 lat. Ruterford przewidywał, że oprócz protonów w jądrze muszą się znajdować jeszcze inne cząstki, obojętne elektrycznie, o podobnej masie do protonu, a które nazwał neutronami. Jednak na odkrycie neutronów trzeba było jeszcze poczekać, bo dokonał tego dopiero w 1932 roku asystent Rutherforda J. Chadwick. Okazało się, że swobodny neutron nie jest cząstką trwałą, a mianowicie rozpada się po 932 w procesie który potem nazwano rozpadem beta. Jednak gdy neutron jest związany w jądrze atomowym, jest jak najbardziej cząstką trwałą. Okazało się że neutrony stanowią bardzo ważne narzędzie w fizyce cząstek. Dzięki temu, że były elektrycznie obojętne, mogły łatwo penetrować jądro i nawet doprowadzić do jego rozpadu. W ten sposób, człowiek zwrócił swe oczy na reakcję jądrowe, które w niedalekiej przyszłości miały być haniebnie wykorzystane do konstrukcji bomby atomowej.

I wówczas nastąpił znowu okres czasu, kiedy wydawało się, że poznano już strukturę materii. Znano trzy cząstki elementarne z których zbudowane były atomy.

Pozyton i neutrino

Obok odkrycia neutronu w tym samym roku odkryto także nowy rodzaj cząstki, partnera elektronu, ale o przeciwnym ładunku, jego antycząstkę - pozyton. Jednak odkrycie to bynajmniej nie było zaskoczeniem dla fizyków, bowiem już wcześniej jej istnienie przewidział Dirac w swojej teorii, która była pierwszą teorią zgodną z mechaniką kwantową i szczególną teorią względności. Dzisiaj już wiemy, że każda cząstka posiada swojego partnera, swoją antycząstkę. Gdy takie dwie cząstki spotykają się ze sobą, anihilują emitując energię będącą sumą ich energii kinetycznej i energii odpowiadającej ich masom spoczynkowym. Gdy anihiluje pozyton z elektronem najczęściej powstają dwa, trzy fotony, z których potem mogą powstać inne cząstki i antycząstki. Następnie w 1936 roku Anderson odkrył kolejną cząstkę - mion, która pod względem właściwości była podobna do elektronu, jednak jej masa była 207 razy większa. I zanim lata 40 się skończyły jeszcze kilka innych cząstek odkryto: piony, które jak dzisiaj wiemy, są pośrednikami oddziaływań pomiędzy protonami, kaony, oraz wyjątkowe ciężkie hiperony. Tak więc, jak widać fizyka poznawała coraz więcej cząstek i ciężko było uwierzyć, że wszystkie one są elementarne. Z kolei w latach pięćdziesiątych odkryto cząstkę której istnienie przewidywano już w latach trzydziestych, jednak w wyniku jej bardzo słabego oddziaływania z materią bardzo ciężko było ją wykryć. Mowa tutaj oczywiście o neutrino.

Neutrino - jest cząstką elementarną, o bardzo małej masie (przez długi czas zastanawiano się, czy w ogóle takową posiada). Bardzo rzadko oddziałuje z materią, przez co jej zarejestrowanie sprawiało swego czasu duży problem fizykom. Swego neutrino sprawiało olbrzymi problem fizykom zajmującym się rozpadem beta, a to dlatego że nie wiedzieli oni o jego istnieniu. Problem wynikał z tego, że wówczas fizycy uważali że już wszystko wiedzą o rozpadzie beta, że sprawa jest banalnie prosta. Otóż rozpad beta polegał na wyrzucaniu przez promieniotwórcze jądra elektronów i kropka. Jednak gdy zarejestrowali oni widmo energetyczne takiego rozpadu, to zamiast dobrze określonej energii elektronu jaką przewidywała teoria, ujrzeli że elektron posiadał w tym rozpadzie praktycznie dowolną energię. W 1927 roku z ogromnym zdziwieniem panowie Ellis i Wooster zobaczyli, że elektron w żaden sposób nie chce respektować podstawowych zasad fizyki, w tym tej najważniejszej - zasady zachowania energii. Niektórzy fizycy byli do tego stopnia zdesperowani, że sugerowali możliwość łamania zasady zachowani energii w tym przypadku. Sam Niels Bohr tak mówił: "Nie ma żadnego argumentu zarówno doświadczalnego, jak i teoretycznego, który by bronił prawa zachowania energii w tym przypadku". Jednak całkowicie nie zgodził się z nim niemiecki fizyk Wolfgang Pauli, który cały problem wyjaśnił w ten sposób, że musi istnieć najwyraźniej jeszcze jedna cząstka, która powstaje w rozpadzie beta, która unosi cześć energii, a której jeszcze nie zarejestrowano, ponieważ bardzo rzadko oddziałuje z materią i nie posiada ładunku elektrycznego. Pauli miał wówczas powiedzieć, że oto zrobił rzecz, której nigdy żaden fizyk - teoretyk nie powinien uczynić, zapostulował istnienie cząstki, której nie można było wykryć. Sławny fizyk, musiał jeszcze długo czekać, bo aż 25 lat, zanim odkryto, że faktycznie neutrino istnieje. Wówczas to autorzy eksperymentu w którym wykryto ślady neutrino wysłali do Pauliego telegram zawiadamiając go o swym sukcesie tymi oto słowami: "Z radością informujemy pana, że definitywnie wykryliśmy neutrina...". Tak więc zasada zachowania energii nadal działała i przy okazji okazało się, że neutrin jest cała masa, że w każdym metrze sześciennym, w każdym miejscu we Wszechświecie znajdują się ich miliardy miliardów. Są one nieustannie produkowane w wyniku rozpadów promieniotwórczych i innego typu reakcjach. Ich olbrzymim źródłem są także wybuchu supernowych. Neutrina są także określane mianem cząstek duchów, ponieważ przemierzają cały Wszechświat bardzo rzadko reagując z materią. Ktoś nawet wyliczył, że aby definitywnie zatrzymać pędzące neutrino potrzeba byłoby ustawić na jego drodze blok ołowiany o długości wynoszącej 1 rok świetlny. W każdej sekundzie ich ogromna ilość przeszywa nasze ciała, a my zupełnie sobie z tego nie zdajemy sprawy.

Dalsze badania nad neutrinami wykazały, że w przyrodzie występują 3 typy neutrin: neutrino elektronowe, mionowe i taonowe. W dniu dzisiejszym neutrina stanowią jeden z głównych obiektów badań fizyków zajmujących się badaniem cząstek. Jak na razie niewiele wiemy o nich. Do tej pory nie udało się dokładnie wyznaczyć masy neutrin, a nawet stwierdzić czy rzeczywiście są tylko ich trzy typy. Przez długi czas zastanawiano się, czy w ogóle mają masę. Jednak gdy odkryto zjawisko ich oscylacji, (czyli że jeden typ neutrina może przechodzić), które nie mogłoby zachodzić gdyby neutrina były bezmasowe okazało się że jednak poszukiwania ich masy mają cel.

Swego czasu neutrina, najmniejsze cząstki elementarne były kandydatami do rozwiązania największej zagadki całego Wszechświata, dotyczącej jego masy. Otóż okazuje się, że widoczna dzisiaj materia, ma za małą masę, aby Wszechświat mógł wyglądać tak jak wygląda. Musi istnieć we Wszechświecie jeszcze jeden rodzaj materii, fizycy nawali ją ciemną materią, ponieważ jak na razie nikt jej nie dostrzegł. Neutrina przez wielu były uważane że to one mogą być tą ciemną materią. Wprawdzie ich masa jest bardzo mała, ale z drugiej strony jest ich tak dużo że może wyjaśniłyby zagadkę ciemnej materii. Jednak w świetle ostatnich badań okazuje się, że masa neutrin jest zbyt mała aby to one mogły rozwiązać tą zagadkę. Dlatego poszukiwania ciemnej materii nadal trwają. Jednak ta zagadka pokazuje w jak olbrzymim stopniu powiązany jest ze sobą świat mikro i makro. Badania prowadzone w licznych laboratoriach nad strukturą materii, nad cząstkami elementarnymi, mogą pomóc zrozumieć budowę całego Wszechświata.

Kwarki, leptony i gluony

W latach pięćdziesiątych, kiedy to zbudowano pierwsze akceleratory, w których to produkowano cząstki, oraz pierwsze komory pęcherzykowe, dzięki którym można było obserwować produkcję tych cząstek, nastąpił lawinowy wzrost odkrytych cząstek. Stało się wówczas jasne, że te wszystkie cząstki nie mogą być elementarne, że muszą być zbudowane z bardziej elementarnych składników. Rozwiązanie wydawało się banalne, wystarczyło zobaczyć, czy te nowo odkryte cząstki nie składają się z innego rodzaju cząstek. Otóż łatwo powiedzieć, trudniej jednak wykonać. Gdy zderzano ze sobą elektrony i pozytony bądź elektrony i jądra atomowe, to powstawały elektrony i pozytony, ale ciężko było powiedzieć, że powstały one w wyniku rozbicia elektronu czy pozytonu na mniejsze elementy. Gdy zderzano ze sobą protony powstawały piony, natomiast w czasie zderzenia ze sobą powstawały protony i antyprotony. Tak więc w ten sposób nie można powiedzieć co jest składnikiem czego. Z kolei sam protono można otrzymać w wyniku dziesiątek innego rodzaju zderzeń.

Gdy zbudowano mechanikę kwantową, wielcy fizycy teoretyczni, tacy jak Heisenberg, czy Pauli twierdzili, że cząstki nie stanowią o prawdziwej naturze materii, a raczej coś takiego jak pola. Cząstki za to miały być przejawami tych pól, ich zaburzeniami. Tak więc elektron miał stanowić zaburzenie pola elektronowego, a foton pola fotonowego. I zgodnie z tą hipotezą, cząstkę uważało się za elementarną, jeśli pole którego była przejawem było elementarne. Pojawił się tutaj jeden zasadniczy problem. Otóż nikt jeszcze nie wiedział jak takie pole miało wyglądać. Z kolei inni teoretycy zaczęli uważać, że nie ma sensu rozróżniać cząstek złożonych i elementarnych. Sam nawet Heisenberg w 1975 roku powiedział: "Różnica między elementarnymi i złożonymi cząstkami właściwie zanikła. Niewątpliwie to właśnie jest najważniejsze odkrycie ostatnich pięćdziesięciu lat". Jednak nie wszystkich takie proste wyjaśnienie satysfakcjonowało, tym bardziej że wkrótce zauważono, w czasie badań zderzeń protonów z innymi protonami, czy elektronami przy bardzo dużych energiach tych cząstek, że jednak proton złożony jest z trzech cząstek składowych. Korzystając ze zdana jakie znajdowało się w powieści Jamesa Joyce'a "Finnegan's Wake", a które brzmiało "Three quarks for Mister Mark!" ("Trzy kwarki dla pana Marka"), Murray Gell -Mann, nadał nowym cząstkom nazwę: kwarki. Za swe odkrycie w 1969 roku został uhonorowany Nagrodą Nobla. W ten sposób powstała teoria do dzisiaj akceptowana - Model Standartowy, która jak na razie najlepiej opisuje świat cząstek elementarnych. Według tej teorii materię budują następujące cząstki elementarne: kwarki, leptony, bozony pośredniczące - cząstki odpowiedzialne za oddziaływania pomiędzy kwarkami i leptonami, oraz ich antycząstki.

Kwarki - są to fundamentalne cząstki, z jakich zbudowana jest cała otaczająca nas materia. Oddziałują silnie i elektrosłabo (elektromagnetycznie i słabo - obie te teorie zostały już zunifikowane jako przejaw jednego oddziaływania - elektrosłabego). Posiadają ułamkowe wartości ładunków elektrycznych (wyrażane w jednostkach ładunku elementarnego). Wydaje się w tej chwili, że istnieje sześć typów kwarków, które określa się mianem zapachów:

- kwark u - górny (up)

- kwark d - dolny (down)

- kwark b - piękny (beauty)

- kwark s - dziwny (strange)

- kwark c - powabny (charm)

- kwark t - prawdziwy (true)

Kwarków nie można obserwować jako cząstki swobodne. Jest to jedna z najbardziej zadziwiających właściwości kwarków. Otóż siła jaka pomiędzy kwarkami istnieje przypomina swoistego rodzaju sprężynę. Im dalej od siebie oddalą się kwarki tym większa siła ciągnie je do siebie. Siła ta w odróżnieniu od oddziaływań elektrosłabych, czy silnych wcale nie maleje z odległością a tylko rośnie. Gdy jednak stanie się tak duża, że wydaje się że kwarki się rozdzielą od siebie, to wówczas energia oddziaływania jest tak dużą, że powstają kolejne kwarki i znowu mamy do czynienia z układem związanym. Jak do tej pory nie udało się wyrwać żadnego kwarka tak aby stał się cząstką swobodną, jest to bowiem teoretycznie niemożliwe. Możliwe jednak było tylko niejako wyczucie kwarków we wnętrzu protonu poprzez bombardowanie go innymi cząstkami.

Leptony - to także cząstki elementarne, jest ich taka sama ilość jak kwarków, czyli 6. Są to:

- elektron

- mion

- tau

- neutrino elektronowe

- neutrino mionowe

- neutrino taonowe

Za wyjątkiem cząstki tau, są to cząstki bardzo lekkie.

W wyniku dalszych prowadzonych badań okazało się, że oddziaływania jądrowe, czyli silne przenoszą gluony. Oddziaływania jakie przenoszą charakteryzują się krótkim zasięgiem, ale za to są bardzo silne. Obecna teoria mówi o tym, że gluonów jest osiem rodzajów, jednak jak do tej pory żadnego z nich nie udało się zaobserwować jako cząstki swobodnej. Model Standartowy jednak posiada pewne braki. Jak dotąd nie udało się opisać w wystarczający sposób oddziaływania grawitacyjnego. Uważa się obecnie, że nośnikami grawitacji mogą być cząstki bezmasowe - grawitony. Jednak jak do tej pory żadnemu fizykowi nie udało się stworzyć kwantowej teorii grawitacji.

Foton

Jest to cząstka która pośredniczy w oddziaływaniach elektromagnetycznych. To że dwa elektrony odpychają się od siebie, czy proton i elektron przyciągają się do siebie wynika z tego, że cząstki wymieniają pomiędzy sobą foton. Fotony są jedynymi jak do tej pory poznanymi cząstkami nie posiadającymi masy. Jednak można je z łatwością zauważyć, ponieważ to one są składnikiem światła.

Po raz pierwszy istnienie fotonów zostało zapostulowane przez samego Einsteina w 1905 roku. Dziś wiemy, że są to bozony pozbawione masy i są kwantem promieniowania elektromagnetycznego.

Fotony są emitowane w czasie przejścia atomu ze stanu energetycznego wyższego do stanu niższego. Wówczas nadwyżka energii emitowana jest w postaci fotonu. Fotony także powstają w wyniku anihilacji pary elektron - pozyton.