Изучение строения атомов, атомных ядер, процессов в космическом излучении, реакций на быстрых заряженных частицах, которые получают в ускорителях, позволило установить существование большого количества частиц, которые названы элементарными. К ним относятся электроны и позитроны, протоны и антипротоны, нейтроны и антинейтроны, нейтрино и антинейтрино, мезоны, гипероны, фотоны и др..
Некоторые из этих частиц стабильны, т.е. самостоятельно не распадаются, не превращаются в другие частицы, тогда как большинство элементарных частиц через определенный промежуток времени превращается в другие. Название «элементарные частицы» в буквальном смысле слова означает простейшие частицы, которые нельзя разложить на составные части. На самом деле это не так.
Пока можем очень мало сказать о строении элементарных частиц, но интенсивные исследования в этом направлении проводятся во многих лабораториях мира. Хорошо изучены явления превращения одних элементарных частиц в другие и установлены закономерности этих преобразований. Поэтому все частицы, которые называют «элементарными», на самом деле не являются элементарными, так же как и атомные ядра, атомы и молекулы.
Часто физику элементарных частиц называют физикой высоких энергий, поскольку для проведения большинства экспериментов в этой сфере нужны частицы высоких энергий. Так, если при изучении ядерных реакций было достаточно энергии бомбардировочных частиц порядка энергии связи нуклонов в ядре, то для опытов, связанных с рождением пионов, необходимые протоны, ускоренные до энергий 300 МэВ, а для экспериментов, связанных с рождением протон-антипро-тонных пар, нужны частицы с энергией 6 ГэВ.
До применения мощных ускорителей заряженных частиц единственным источником частиц с энергией, достаточной для образования мезонов и гиперонов, было космическое излучение.
Космическое излучение - поток атомных ядер (в основном протонов), попадающего на Землю из мирового пространства и образует в земной атмосфере вторичное излучение, в котором обнаружено много элементарных частиц. Открытие космического излучения связано с проведением в начале XX в. опытов, которые указывали на существование слабой ионизации воздуха вызывала разряд электроскопа, экранированных толстым слоем вещества. Исследование причин этого эффекта привели к открытию излучения внеземного происхождения, который позже назвали космическим. Средняя энергия космических частиц составляла около 10 ГэВ, а энергия отдельных частиц достигала 1010 ГэВ. Поток первичного космического излучения на границе атмосферы в период минимума солнечной активности составляет 7 102 ... 104 частиц на квадратный метр в секунду и увеличивается в несколько раз по мере приближения к максимуму активности. Поток заряженных частиц на уровне моря равна в среднем 1,7 Ю2 частиц на квадратный метр в секунду и мало меняется с солнечной активностью.
Ученые считают, что главным источником космического излучения являются так называемые пульсары, которых в нашей Галактике насчитывается около 10 миллионов. Характерную преимущество тяжелых элементов в составе первичного космического излучения, очевидно, можно объяснить преимущественным ускорением тяжелых ядер (Z> 20) в источниках космического излучения. Появление легких элементов в составе космического излучения вызвана расщеплением тяжелых ядер при взаимодействии с ядрами межзвездной газа.
В 1958 г. во время первых полетов искусственных спутников Земли и космических ракет было обнаружено околоземные радиационные пояса. Они составляют две пространственно разделенные зоны вокруг Земли с резко повышенной концентрацией ионизирующего излучения. Существование поясов радиации обусловлено захватом и удержанием заряженных космических частиц магнитным полем Земли. Поэтому образование поясов радиации должен быть характерным для всех небесных тел, имеющих магнитное поле. При исследовании космического излучения было сделано много принципиально важных открытий. Так, 1932 г. К. Андерсон открыл в космическом излучении позитрон, а в 1937 г. К. Андерсон и С. Неддермейер открыли ц-мезоны и определили тип их распада. В 1947 p. С. Пауэлл открыл я-мезоны. В 1955 г. в космическом излучении было обнаружено К-мезоны, а также тяжелые нейтральные частицы с массой, превышающей массу протона, - гипероны. Исследования космического излучения привело к необходимости введения квантовой характеристики, названной странность. Подробно изучать свойства частиц, особенности их взаимодействия и преобразования можно только на ускорителях. Ускорители используются для различных исследований, но главное их назначение - исследование фундаментальных свойств вещества, элементарных частиц. Для этого проектировались и строились все крупные ускорители заряженных частиц (см. раздел 17.3). Уже на первых ускорителях, построенных для изучения нуклонов, получили важные результаты. Во многих столкновениях при высоких энергиях возникали новые частицы, часто в больших количествах, но, что самое важное, совсем не обязательно меньше или легче, чем первоначальные. Более того, возникали одни и те же частицы для различных партнеров по столкновению. Это не вписывалось в рамки простых привычных представлений о структуре частиц. Эксперимент показывает, что все вторичные частицы не «выбиваются» из первичных, а «рождаются», строго соблюдая релятивистских законов сохранения энергии и импульса в акте рассеяния.
Успехи физики элементарных частиц обусловлены, наряду с высоким уровнем техники научного эксперимента, развитием новейших физических теорий, которые привели ко многим открытиям в физике ядра и элементарных частиц. Так, при объяснении сплошного спектра ?-распада В. Пау-ли предсказал существование нейтрино. П. Дирак, исходя из выведенного им релятивистского уравнения, предсказал существование позитрона (античастицы). X. Юкава предсказал существование пионов, была также высказана гипотеза о существовании анти-сигма-гиперон и др..
Многие теоретических выводов подтверждено экспериментально. В настоящее время осуществляется экспериментальный поиск кварков, предсказанных теорией элементарных частиц.
В 1952 г. в Брукхейвене (США) введен в действие первый синхрофазотрон, на котором можно получать протоны гораздо большей энергии (до 3 ГэВ), чем давали ускорители, которые существовали до сих пор. Энергия в 3 ГэВ - это уже энергия первичного космического излучения. Поэтому Брукхейвенской синхрофазотрон получил название космо-трона. С появлением ускорителей космическое излучение утратило свое исключительное значение при изучении элементарных частиц. Однако оно остается единственным источником частиц сверхвысоких энергий.
Сейчас известно около 400 элементарных частиц, главная особенность которых заключается в их способности к взаимопревращения.
Характерной особенностью элементарных частиц является то, что они существуют в виде частиц и античастиц. Это выражается, в частности, в том, что наряду с положительно заряженными частицами определенного вида существуют отрицательно заряженные частицы такого же вида. Для нейтральных частиц отличие состоит в противоположной ориентации механических и магнитных моментов. В этом фундаментальном факте ярко проявляет себя основной закон диалектики, который рассматривает движущуюся материю как единство противоположностей, между которыми постоянно идет борьба, что является основой самодвижения материи. Элементарные частицы характеризуются основными физическими свойствами, которые определяют их характерные особенности. Все элементарные частицы имеют ту или иную массу, энергию, момент количества движения, спин. Некоторые частицы имеют магнитный момент, электрический, барионный, лептонный заряды и т.д.. Все превращения элементарных частиц строго подлежат законам сохранения этих величин. Чтобы описать процессы, связанные с преобразованием элементарных частиц, нужно учитывать соотношение между массой и энергией.
Термин «элементарная» скорее относится к уровню наших знаний, поскольку на каждом этапе развития науки элементарными называют частицы, строение которых не знают и которые рассматривают как точечные.
Эксперименты на ускорителях элементарных частиц пока не дали доказательств существования каких-либо субчастиц. Можно предположить, что достигнута на ускорителях энергия не превышает энергии связи субчастиц внутри элементарной частицы, и поэтому их нельзя выделить. Вследствие этого после каждой новой серии экспериментов субчастицы вынуждены приписывать все большую массу. Итак, теоретические рассуждения ограничивают массу возможных субчастиц, а эксперимент требует увеличения ее. Если в отношении атомов и молекул справедливо утверждение, что молекула «состоит» из атомов, а атом - из ядра и электронов, то было бы неадекватным представление, что ядро «складывается» из протонов и нейтронов в том смысле, в котором молекула «состоит» из атомов. Качественная специфика строения микрочастиц еще сильнее проявляется для элементарных частиц в современной физике.