הגדרת המרכיבים היסודיים של החומר השתנתה כמה פעמים במאתיים השנים האחרונות. במאה ה-19 נחשבו האטומים לאבני הבניין היסודיות של כל החומרים. לאחר שהתגלה מבנה האטום סברו הפיסיקאים שיש בעולם ארבעה חלקיקים יסודיים: האלקטרון, הפרוטון והניטרון, שהם מרכיבי היסוד של החומר, והפוטון, שהוא החלקיק היסודי של האור ושאר הגלים האלקטרומגנטיים. ואולם במהלך המאה העשרים התגלו חלקיקים רבים נוספים. רוב התגליות נעשו במאיצי חלקיקים שבהם מקנים לחלקיקים טעונים, כגון אלקטרונים או פרוטונים, אנרגיה קינטית גבוהה מאד, ומניחים להם להתנגש בחלקיקים אחרים. לחלקיקים היסודיים קוראים גם חלקיקים תת-אטומיים.
את החלקיקים שנתגלו אפשר לחלק לשלוש קבוצות:
- קבוצת ההָדרוֹנִים שבה חברים הפרוטון והניטרון וחלקיקים נוספים, קצרי חיים, שקוטרם הוא כ-10-15 מטר.
- קבוצת הלֶפְּטוֹנִים (ביוונית: קלים) שבה חלקיקים המתנהגים כחלקיקים נקודתיים שקוטרם אפס. חברים בה האלקטרון (e) ועוד שני חלקיקים – המוּאוֹן (µ) והטָאוּ (t) – שהם בעלי מטענים שליליים כמו האלקטרון, אך מסותיהם הרבה יותר גדולות ממסת האלקטרון. לכל אחד מהם משלושת הלפטונים הטעונים יש בן זוג ניטרלי בעל מסה קטנה, בשם ניטרינו (ne, nµ, nt).
- הקבוצה השלישית מכילה את החלקיקים הנושאים את הכוחות היסודיים. חברים בה הפוטון, הגלואונים הנושאים את הכוח החזק, ושלושת החלקיקים הנושאים את הכוח החלש.
החלקיקים בקבוצה השנייה והשלישית הם חלקיקים יסודיים באמת, ככל שאנו יכולים לקבוע היום, אולם ההדרונים מורכבים מחלקיקים יסודיים יותר – הקוורקים.
אחד ההישגים הגדולים של הפיסיקה בחצי השני של המאה העשרים הוא יצירת תמונה כוללת, שבה החלקיקים היסודיים הם הלפטונים, הקוורקים, והחלקיקים הנושאים את הכוחות. תיאוריה זו מכונה המודל הסטנדרטי של החלקיקים היסודיים. ענף אחד של המודל הסטנדרטי, האלקטרודינמיקה הקוונטית, פוּתח לרמה כזו שניתן לחזות בעזרתו תופעות ניסיוניות בדיוק של 10 ספרות עשרוניות. המחקר היום מתמקד בחלק אחר של המודל (כרומודינמיקה קוונטית) ובהרחבת המודל הסטנדרטי באופן שיקיף תופעות נוספות כמו כוח הכבידה.
במסגרת המודל הסטנדרטי אפשר לאפיין כל חלקיק באמצעות המסה שלו, מטענו החשמלי, הספין שלו, ו”מטענים” נוספים כמו “מוזרות” ו”מספר בריוני” שעליהם חלים חוקי שימור. ספין הוא תנע זוויתי פנימי, שבאופן בלתי מדויק אפשר לייחסו למעין תנועת סיבוב של החלקיק סביב צירו. הספינים של כל החלקיקים שנתגלו הם כפולות שלמות של הגודל ħ½ (ħ הוא היחידה הטבעית של התנע הזוויתי בתורת הקוונטים, והוא שווה לקבוע של פלאנק מחולק ב-2p). כלומר, הספין של חלקיק יכול להיות 0, 1/2, 1, 3/2, וכו’ (ביחידות ħ). חלקיקים בעלי ספין שלם (0, 1, 2 וכו’) נקראים בּוֹזוֹנִים, וחלקיקים בעלי ספין “חצי-שלם” (1/2, 3/2, 5/2 וכו’) נקראים פֶרמִיוֹנִים. הקוורקים והלפטונים הם פרמיונים, בעוד שהחלקיקים נושאי הכוח הם בוזונים.
עקרון פאולי שקובע כי חלקיקים זהים הנמצאים בסמיכות זה לזה אינם יכולים להיות במצב קוונטי זהה, חל על פרמיונים אך לא על בוזונים. (עקרון פאולי אחראי, בין השאר, לסידור האלקטרונים באטומי היסודות השונים ומכאן לתכונות הכימיות שלהם).
את מסות החלקיקים נוח לבטא ביחידות אנרגיה, באמצעות הנוסחה E=mc2. יחידת אנרגיה שימושית היא האלקטרון-וולט (א”ו או eV) שהיא האנרגיה שמתווספת לאלקטרון או פרוטון שמואץ במתח של וולט אחד. למיליון אלקטרון-וולט קוראים מא”ו (MeV). מסת הפרוטון היא 938.26 מא”ו, וזו של הניטרון 939.55 מא”ו. מסת האלקטרון היא 0.511 מא”ו, ומסת הפוטון היא אפס.
על פי המודל הסטנדרטי, כנגד כל חלקיק יש אנטי חלקיק, שזהה לו במסה, בספין ובמשך הקיום הממוצע שלו, אך יש לו מטען חשמלי הפוך. זוהי אחת הסימטריות היסודיות של הטבע. למשל, האנטי-חלקיק של האלקטרון מכונה פּוֹזִיטְרוֹן, והוא זהה לאלקטרון פרט לכך שיש לו מטען חשמלי חיובי. ה”מטענים” הנוספים המאפיינים חלקיקים מופיעים גם הם בסימן הפוך באנטי-חלקיק. לחלקיקים שבהם כל “המטענים” הם אפס (למשל, הפוטון) אין אנטי-חלקיקים. הם יכולים להיחשב לאנטי-חלקיקים של עצמם.
לקוורקים וללפטונים מתייחסים היום כאל החלקיקים היסודיים של החומר ביקום. את ששת הקוורקים וששת הלפטונים נוח לסדר בשלוש קבוצות, או שלושה “דורות” בלשון הפיסיקאים, שבכל אחד מהם יש זוג של קוורקים וזוג של לפטונים. הדור הראשון מכיל את הקוורקים d, u ואת הלפטונים e, ne; הדור השני את הקוורקים s, c והלפטונים µ, nµ והדור השלישי את הקוורקים b, t והלפטונים t, nt.
הפרוטון והניטרון מורכבים מהקוורקים u ו-d, כך שארבעת החלקיקים של הדור הראשון (u, d; ne, e) בונים את כל החומר הסובב אותנו בתנאים רגילים. שני הדורות האחרים מופיעים בניסויים באנרגיות גבוהות. ואולם תגובות בין חלקיקים מהדור הראשון יכולות להיות מושפעות מקיומם של הדור השני והשלישי.
לקריאה ועיון נוסף באינטרנט: