Развитие физики элементарных частиц берёт своё начало в античные времена, когда философы Древней Греции выдвигали идеи о неделимости материи. Демокрит и Левкипп предложили концепцию атомов как мельчайших, неделимых частиц, из которых состоит всё сущее. Эти идеи не имели экспериментального обоснования и оставались философскими умозаключениями вплоть до появления современной науки.
Настоящая эволюция взглядов началась с XIX века, когда в рамках классической физики были выявлены аномалии, не укладывающиеся в рамки существующих представлений. Исследования катодных лучей Дж. Томсона в 1897 году привели к открытию электрона — первой элементарной частицы. Это событие положило начало физике субатомного мира.
Позже, в начале XX века, Резерфорд, исследуя рассеяние α-частиц на тонкой золотой фольге, установил наличие атомного ядра, открыв протон в 1919 году. В 1932 году Джеймс Чедвик экспериментально обнаружил нейтрон. Таким образом, стало ясно, что атом состоит из трёх основных частиц — электрона, протона и нейтрона.
С появлением квантовой механики возникла необходимость описания элементарных частиц с учётом волновой природы материи. Формализм Дирака объединил квантовую механику с теорией относительности и предсказал существование античастиц — например, позитрона, который вскоре был экспериментально обнаружен Карлом Андерсоном в 1932 году.
В течение 1930–1940-х годов развивалась квантовая электродинамика (КЭД) — теория взаимодействия заряжённых частиц через перенос фотонов. Вклад в развитие КЭД внесли Р. Фейнман, Дж. Швингер и С. Томонага, предложившие согласованную и математически строгую теорию электромагнитных взаимодействий, включающую явления виртуальных частиц и перенормировок.
Начиная с 1950-х годов, в результате ускорительных экспериментов, был обнаружен широкий спектр новых частиц: мезоны, резонансы, странные частицы и др. В результате возник «зоопарк частиц», в котором с трудом удавалось различить закономерности.
Это привело к необходимости классификации, и в 1961 году Мюррей Гелл-Ман и Юваль Неэман разработали схему SU(3), известную как «восьмёрка» (Eightfold Way), позволившую упорядочить барионы и мезоны по квантовым числам. Вскоре была предложена кварковая модель, в которой все адроны рассматриваются как комбинации более фундаментальных частиц — кварков.
Середина XX века ознаменовалась переходом от эмпирических моделей к строгим теориям. Важнейшим достижением стало объединение слабого и электромагнитного взаимодействий в единую электрослабую теорию. В 1960-х годах Абдус Салам, Стивен Вайнберг и Шелдон Глэшоу разработали SU(2)×U(1) теорию, предсказавшую существование промежуточных бозонов W и Z, экспериментально обнаруженных в 1983 году в ЦЕРНе.
Одновременно развивалась квантовая хромодинамика (КХД) — теория сильного взаимодействия, описывающая поведение кварков и глюонов в рамках SU(3) симметрии. КХД вводит концепцию конфайнмента, запрещающего наблюдение свободных кварков.
Стандартная модель объединяет электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия и включает три поколения фермионов (лептонов и кварков), калибровочные бозоны (фотон, глюоны, W и Z-бозоны), а также предсказанный механизм Хиггса, реализующий спонтанное нарушение симметрии и придающий массу элементарным частицам. В 2012 году бозон Хиггса был обнаружен в Большом адронном коллайдере, что подтвердило целостность модели.
Несмотря на огромный успех, Стандартная модель не объясняет ряд фундаментальных явлений:
LHC стал крупнейшим ускорителем, позволившим не только открыть бозон Хиггса, но и установить пределы существования новых частиц, таких как суперпартнёры из моделей суперсимметрии, тяжёлые бозоны и дополнительные кварки. Продолжается поиск признаков выхода за пределы Стандартной модели, включая явления нарушения CP-симметрии и редкие распады.
Создаются модели, объединяющие сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия в рамках единой калибровочной группы, например, SU(5), SO(10). Эти теории предсказывают распад протона и существование новых частиц на сверхвысоких энергиях, доступных лишь в ранней Вселенной.
Суперсимметрия (SUSY) предполагает симметрию между бозонами и фермионами, вводя суперпартнёров для всех известных частиц. Это решает проблему иерархии масс и может объяснить тёмную материю. Теория струн, в свою очередь, предполагает, что фундаментальные частицы — это одномерные объекты, вибрации которых определяют массу и спин. Теория требует дополнительных измерений и пока не имеет экспериментального подтверждения.
Современные эксперименты (Super-Kamiokande, DUNE, IceCube) исследуют свойства нейтрино, включая возможность их быть майорановскими частицами, наличие стерильных нейтрино и проявления CP-нарушения в лептонном секторе.
Попытки квантовать гравитацию привели к разработке петлевой квантовой гравитации, где пространство-время рассматривается как дискретное на малых масштабах. Это направление конкурирует с теорией струн в попытке построить теорию всего.
Развитие физики элементарных частиц неразрывно связано с совершенствованием экспериментальной базы. От пузырьковых камер и трековых детекторов 20 века на смену пришли многоуровневые системы регистрации событий с использованием кремниевых детекторов, фотонных сенсоров и глубокого машинного обучения для анализа данных.
Ведутся проекты по созданию новых ускорителей: Future Circular Collider (FCC), International Linear Collider (ILC), а также детекторов для прямого наблюдения тёмной материи и изучения космологических последствий физики частиц.
Физика высоких энергий остаётся краеугольным камнем нашего понимания природы, открывая фундаментальные законы, лежащие в основе всех физических процессов.