In origine questa espressione veniva usata per indicare le particelle costituenti fondamentali della materia, prive di struttura interna, o ritenute tali, e dunque indivisibili. Col tempo gli esperimenti hanno mostrato che la maggior parte delle particelle credute elementari di fatto non lo sono: il termine però è rimasto nell'uso degli scienziati e oggi si riferisce in generale a tutte le particelle subatomiche. Le particelle elementari riconosciute e classificate finora sono più di 300.
La fisica che studia le particelle elementari e le loro interazioni è nata all'inizio del XX secolo. Oggi è chiamata anche fisica delle alte energie perchè la ricerca deve servirsi degli acceleratori di particelle, strumenti che, realizzando urti fra fasci di particelle di altissima energia, convertono l'energia in nuova materia da studiare, secondo l'equazione di Einstein

E = mc².

           

Nascita della fisica delle particelle  
Verso la fine del XIX secolo la scoperta della radioattività e dell'elettrone provarono l'esistenza della complessa struttura interna di atomi e molecole. Gli studiosi iniziarono così a interessarsi ai fenomeni del mondo microscopico, fino a giungere all'elaborazione della meccanica quantistica negli anni Venti. Successivamente, all'inizio degli anni Trenta, l'interesse dei fisici si concentrò sulla struttura del nucleo: furono questi studi a mostrare che l'energia posseduta da un nucleo può venire "estratta" e utilizzata, come si fa ancora oggi nei reattori nucleari, per la produzione di energia elettrica e termica, o nelle armi nucleari. Comunque fu solo dopo la seconda guerra mondiale che gli scienziati intrapresero a studiare le particelle elementari in modo sistematico, per comprendere la struttura del nucleo atomico.

Classificazione delle particelle  
All'inizio degli anni Trenta, si sapeva che il nucleo di un atomo era costituito da protoni e neutroni e che attorno a questo gravitavano gli elettroni. Si sapeva inoltre che la luce poteva assumere un duplice aspetto: quello comune di onda elettromagnetica e quello, che si manifesta solo in particolari esperimenti, di aggregato di fotoni, particelle elementari anch'esse. Oggi, le particelle osservate sono state suddivise in diverse classi, in base ad alcune proprietà che le caratterizzano: il tipo di interazione che risentono, il numero di quark di cui sono costituite, il valore dello spin.

Antiparticelle

Nel 1930 Paul A.M. Dirac ipotizzò, in base a considerazioni puramente teoriche, che a ogni particella elementare corrispondesse un'antiparticella, dotata di alcune caratteristiche fisiche simmetricamente opposte a quelle della particella. L'ipotesi di Dirac trovò le prime conferme sperimentali con la scoperta del positrone, l'antiparticella dell'elettrone, da parte del fisico americano Carl D. Anderson nel 1932, e poi dell'antiprotone nel 1955, per opera dei fisici Owen Chamberlain ed Emilio Segrè. Esperimenti più recenti hanno provato che a ogni particella corrisponde un'antiparticella, benché in alcuni casi, come ad esempio per il fotone, queste coincidano. I fisici sono soliti distinguere le antiparticelle con un segno di barra sul simbolo che indica le particelle: così, ad esempio, v_e è l'antiparticella di í_e.

Interazioni  
Con il termine interazione si intendono tutti quei processi in cui le particelle elementari esercitano forze una sull'altra, o danno vita a fenomeni di creazione o annichilazione di particelle. Si conoscono quattro tipi di interazione:

L'interazione nucleare, o forte, è la più intensa: tiene uniti protoni e neutroni all'interno del nucleo atomico. Meno intensa è l'interazione elettromagnetica, essenziale per mantenere i legami fra elettroni e nucleo all'interno di atomi e molecole: è importantissima, perchè la trasformazione di tali legami è la causa di tutte le reazioni chimiche. La cosiddetta interazione debole ha un'intensità piccolissima ed è responsabile di numerose reazioni fra particelle elementari, in particolare dei decadimenti radioattivi dei nuclei atomici, il processo osservato per la prima volta, fra il 1896 e il 1898, dagli scienziati francesi Antoine H. Becquerel e Pierre e Marie Curie. L'interazione gravitazionale è importante a livello macroscopico (caduta dei gravi, movimenti degli astri), ma è la più debole delle interazioni tra particelle elementari.

Fu la teoria quantistica a mostrare che le interazioni vengono trasportate da particelle, che trasmettono l'energia fra i diversi protagonisti dell'interazione. Tutti i "messaggeri" delle interazioni, dotati di spin intero, si chiamano bosoni (vedi oltre) di gauge: il gluone trasmette l'interazione forte, il fotone l'interazione elettromagnetica, i bosoni vettori W⁺e W- e Z l'interazione debole e il gravitone l'interazione gravitazionale: di tutte queste particelle si è avuta evidenza sperimentale, tranne che per il gravitone.

Leptoni e adroni  
Le particelle che costituiscono la materia sono distinte in leptoni e adroni, in base al tipo di interazione che li caratterizza. I leptoni sono una famiglia di sei particelle, fra le quali l'elettrone, e non risentono delle interazioni forti. Gli adroni invece sono molto più numerosi, praticamente tutte le particelle note: sono sensibili alle quattro interazioni e sono dotati di una struttura interna, costituita da quark. Gli adroni si suddividono ulteriormente in barioni e mesoni, a seconda che siano costituiti da tre o due quark. Protone e neutrone appartengono alla categoria dei barioni.

Il neutrone è stabile se fa parte di un sistema complesso, quale il nucleo stabile di un atomo, ma decade se è isolato: ha vita media di 917 secondi e si disintegra in un protone, un elettrone e un antineutrino elettronico, secondo la reazione di decadimento n → p + e + v_e

Diversi esperimenti stanno cercando di rivelare il decadimento del protone: per ora, attraverso misure indirette, gli scienziati possono affermare che la vita media del protone è sicuramente più lunga di 10³² anni.

Quark  
Furono i fisici americani Murray Gell-Mann e George Zweig a suggerire nel 1963, indipendentemente uno dall'altro, che gli adroni fossero costituiti da unità di materia ancora più piccole, indivisibili, chiamate quark. Gell-Mann e Zweig ipotizzarono che esistessero tre quark e tre antiquark. La tappa fondamentale per la conferma sperimentale della validità del modello a quark si ebbe nel 1974, con la scoperta della particella J/Ø da parte dei fisici americani Samuel Ting e Burton Richter: in questa particella fu infatti osservato un segnale evidentissimo dell'esistenza di uno dei sei quark previsti, il quark c (charm).

Spin

Le particelle vengono classificate, in base al valore del loro spin, in bosoni, se hanno spin intero, e fermioni, con spin semintero. I leptoni hanno tutti spin uguale a y; gli adroni possono avere spin uguale a 0, y, 1 o interi maggiori.

Leggi di conservazione  
Nella meccanica classica l'evoluzione di un sistema fisico rispetta i principi di conservazione dell'energia, della quantità di moto e del momento angolare; questi principi si traducono, dal punto di vista matematico, in condizioni imposte alle soluzioni delle equazioni di Newton che descrivono il moto del sistema stesso. Nella fisica delle particelle elementari sussistono, oltre a quelle classiche, altre leggi di conservazione; tali leggi furono essenziali nello sviluppo della teoria e nella scoperta di nuove particelle; il neutrino ad esempio fu ipotizzato in seguito a un'apparente violazione dei principi di conservazione nei processi di decadimento beta.

Simmetria e numeri quantici

Fino all'inizio del XX secolo, i principi di simmetria erano stati applicati quasi esclusivamente a problemi di meccanica dei fluidi e cristallografia. Dopo il 1925 i fisici si resero conto che le simmetrie mostrate dalla struttura di atomi e molecole portavano alla definizione di numeri quantici (relativi allo stato atomico) e di regole di selezione (relative alle transizioni atomiche) che semplificavano la comprensione e la descrizione dei processi atomici e nucleari.

L'evidenza di una simmetria in un sistema fisico significa che quel sistema possiede sicuramente una variabile fisica conservata, e viceversa a ogni principio di conservazione corrisponde una particolare proprietà di simmetria del sistema.

Parità (P)  
Il principio di simmetria per riflessione spaziale, o principio di conservazione della parità (P), stabilisce che le leggi della natura sono invarianti per inversione delle coordinate spaziali. Intuitivamente, ciò significa che cambiando il segno delle tre coordinate spaziali x, y, e z di tutte le particelle che partecipano a un processo fisico, il sistema mostra le medesime caratteristiche del processo originario.

Ad esempio, supponiamo che una reazione (una collisione, o un'interazione) tra due particelle A e B aventi rispettivamente quantità di moto p_A e p_B abbia probabilità fissata di produrre altre due particelle, C e D, con momenti caratteristici p_C e p_D. Si indichi questa reazione con R                     A + B → C + D        (R)

 e si tenga presente che invertire il segno delle coordinate spaziali significa modificare nello stesso modo il segno delle quantità di moto. La reazione conserva la parità se le particelle A e B, con momenti -p_A e -p_B, interagiscono producendo le particelle C e D con momenti -p_C e -p_D, con la stessa probabilità con cui avviene la reazione R.

Simmetria per coniugazione di carica (C)

Il principio di simmetria per coniugazione di carica può essere illustrato facendo ancora riferimento alla generica reazione R. Se le particelle A, B, C e D vengono sostituite con le rispettive antiparticelle A, B, C e D, la reazione R (reazione che non è detto possa realmente verificarsi) diventa  A + B → C + D       C(R)

Questa reazione, che indichiamo con C(R), è la reazione coniugata di R. Se C(R) avviene realmente e procede con la stessa probabilità di R, allora si dice che la reazione è invariante rispetto alla coniugazione di carica (C).

Simmetria per inversione temporale (T)

Il principio di simmetria per inversione temporale ha una definizione simile: esso stabilisce che se una reazione (R) è invariante per inversione temporale (T), allora la probabilità che avvenga la reazione inversa C + D → A + B      T (R) è uguale alla probabilità di (R).

Simmetria nelle interazioni fondamentali  
Le simmetrie che caratterizzano le quattro interazioni fondamentali sono molto diverse tra loro. Prima del 1957 si credeva che la simmetria per riflessione spaziale (conservazione della parità) fosse rispettata da tutti i tipi di interazione. Nel 1956 i fisici cinoamericani Tsung Dao Lee e Chen Ning Yang fecero notare che, in base ai loro studi, la conservazione della parità avrebbe potuto non essere rispettata nelle interazioni deboli e suggerirono una serie di esperimenti per verificare questa congettura. L'anno successivo fu provato sperimentalmente che le interazioni deboli violano il principio di conservazione della parità. Ne conseguì la successiva scoperta che le particelle prodotte in un'interazione debole hanno tendenza a mostrare una determinata relazione tra direzione dello spin e quella del loro moto. In particolare, il neutrino elettronico u_e e quello muonico u_µ, particelle elementari coinvolte esclusivamente nelle interazioni deboli o gravitazionali, hanno sempre lo spin rivolto in verso opposto al senso del moto. I fisici americani James W. Cronin e Val L. Fitch e i loro collaboratori scoprirono anche, nel 1964, che l'interazione debole non conserva la simmetria per inversione temporale.

Unificazione delle interazioni  
Prima della metà del XIX secolo si pensava che le forze agissero per interazione a distanza. Lo scienziato inglese Michael Faraday propose invece che le interazioni si trasmettessero da un corpo a un altro attraverso la mediazione di un campo. Il fisico scozzese James Clerk Maxwell tradusse le idee di Faraday in forma matematica, dando origine alla prima teoria di campo, che risultò nelle equazioni di Maxwell per le interazioni elettromagnetiche. Nel 1916 Albert Einstein pubblicò la sua teoria delle interazioni gravitazionali, che diventò la seconda teoria di campo.

Negli anni Trenta e Quaranta, lo sviluppo di soddisfacenti teorie di campo per le altre due interazioni, che tenessero conto però anche della meccanica quantistica, incontrava notevoli difficoltà. I problemi erano legati al fatto che la teoria richiedeva l'esistenza di campi di intensità infinita (problema della divergenza) nelle vicinanze delle particelle. Per risolvere in parte queste difficoltà, nel 1947-1949, il fisico giapponese Sin Itiro Tomonaga, i fisici americani Julian Schwinger e Richard Feynman, e il fisico angloamericano Freeman Dyson elaborarono un metodo detto di rinormalizzazione. Il metodo di rinormalizzazione mostrò che un problema di divergenza può essere sempre isolato e rimosso.

Unificazione delle teorie di campo  
I quattro tipi di interazione (forte, debole, elettromagnetica e gravitazionale) sono profondamente diversi uno dall'altro. Il primo tentativo di raggrupparli in un'unica teoria è dovuto ad Albert Einstein e risale a prima del 1920. Nel 1979 i fisici americani Sheldon Glashow e Steven Weinberg e il fisico pakistano Abdus Salam vinsero il premio Nobel per la fisica per il loro modello di unificazione delle teorie dell'interazione elettromagnetica e dell'interazione debole. Questo importante risultato scaturisce dal concetto di teoria di gauge, dovuto agli scienziati Hermann Weyl, Chen Ning Yang e Robert Laurence Mills, e di teoria di rottura spontanea della simmetria, dovuta prevalentemente a Yoichiro Nambu e a Peter Higgs. Questi sviluppi, accanto alla teoria di rinormalizzazione, sfociarono nella formulazione del Modello standard.

Prospettive per il futuro  
Tutti gli scienziati si trovano d'accordo sul fatto che le proprietà delle quattro interazioni dipendono da manifestazioni diverse di una simmetria di gauge. Di conseguenza, uno studio approfondito di tali simmetrie potrebbe consentire lo sviluppo di una teoria unificata che descriva tutte le interazioni presenti in natura come diverse espressioni di uno stesso fenomeno. Il tentativo di estendere il principio di simmetria di gauge ha già condotto alla formulazione di concetti nuovi quali supersimmetria e supergravità, che per ora aspettano di essere confermati da osservazioni sperimentali. Lo sviluppo di una teoria unificata presenta enormi difficoltà sia dal punto di vista teorico che sperimentale: la matematica richiesta da tale teoria è estremamente complessa, mentre lo studio della struttura di particelle sempre più piccole richiede l'impiego di acceleratori e rivelatori sempre più grandi, potenti e costosi. Per garantire il progresso della ricerca in questo settore gli scienziati stanno affrontando, sia dal punto di vista intellettuale che finanziario, sforzi enormi.

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