11.1 Wstęp do fizyki cząstek elementarnych

Cztery oddziaływania podstawowe ułożone od najsilniejszego to: silne oddziaływanie jądrowe, oddziaływanie elektromagnetyczne, słabe oddziaływanie jądrowe i oddziaływanie grawitacyjne. Kwarki oddziałują silnie, ale leptony już nie. I kwarki, i leptony oddziałują elektromagnetycznie, grawitacyjnie i słabo.
Cząstki elementarne dzielimy na fermiony i bozony. Fermiony mają spin połówkowy i podlegają zakazowi Pauliego. Bozony mają spin całkowity i nie podlegają zasadzie wykluczania. Bozony są nośnikami oddziaływań między cząstkami.
Kwarki i leptony to dwie rodziny cząstek, składające się z sześciu reprezentantów każda, podzielonych na dwie grupy. Członkowie odpowiednich grup mają szereg wspólnych cech (np. ładunek elektryczny, spin, typ oddziaływania), ale różnią się masą.
Wszystkie cząstki mają swoje antycząstki, które posiadają te same cechy, ale niosą ładunek przeciwnego znaku.

11.2 Zasady zachowania w fizyce cząstek elementarnych

Oddziaływania między cząstkami elementarnymi podlegają zasadom zachowania liczb (barionowej, leptonowych i dziwności), określającym, jakie reakcje lub rozpady są możliwe, a jakie zabronione.
Zasada zachowania liczby barionowej i zasady zachowania trzech liczb leptonowych muszą być spełnione we wszystkich procesach fizycznych. Zachowanie dziwności dotyczy jedynie oddziaływań silnych i elektromagnetycznych. Dziwność nie jest zachowana w oddziaływaniach słabych.

W przyrodzie występuje sześć kwarków: górny ( $\mathrm{u}$ ), dolny ( $\mathrm{d}$ ), powabny ( $\mathrm{c}$ ), dziwny ( $\mathrm{s}$ ), wysoki ( $\mathrm{t}$ ) oraz niski ( $\mathrm{b}$ ). Cząstki te są fermionami o spinie połówkowym i ułamkowym ładunku elektrycznym.
Bariony składają się z trzech kwarków, a mezony z pary kwark–antykwark. Ze względu na oddziaływanie silne, które ma cechę tzw. asymptotycznej swobody, kwarki nie mogą występować jako samodzielne cząstki. Mówimy, że są one uwięzione wewnątrz hadronów.
Potwierdzenie istnienia kwarków przyniosły eksperymenty z rozpraszaniem na protonach.

Do badania cząstek elementarnych i ich wzajemnych oddziaływań służy wiele różnych typów akceleratorów, takich jak liniaki, cyklotrony, synchrotrony i zderzacze.
Akceleratory zderzeniowe służą do produkcji masywnych cząstek, które szybko rozpadają się na kaskady lżejszych.
Wielkie detektory cząstek elementarnych służą do dokładnego pomiaru wszystkich aspektów zderzeń wysokoenergetycznych cząstek i fotonów, takich jak tor, pęd i energia. Detektory zbudowane są z wielu segmentów odpowiedzialnych za pomiar danego typu cząstek.
Cząstki naładowane mierzymy w obszarze pola magnetycznego. Dzięki temu na podstawie ich zakrzywionych torów lotu możemy odtworzyć wektor pędu.
Do pomiaru energii (i masy) cząstek służą kalorymetry; cząstki są całkowicie absorbowane w materiale kalorymetru.

Model standardowy stanowi opis oddziaływań między cząstkami na drodze silnego oddziaływania jądrowego, oddziaływania elektromagnetycznego i słabego oddziaływania jądrowego.
Procesy rozpraszania i rozpadów cząstek możemy przedstawiać przy użyciu diagramów Feynmana. Diagram ten przedstawia oddziaływanie między cząstkami na schematycznym wykresie czasu w funkcji położenia.
Oddziaływanie elektromagnetyczne jest dalekozasięgowe, natomiast oddziaływanie słabe zachodzi tylko na niewielkich odległościach. Wszystkie oddziaływania przenoszone są za pomocą bozonów pośredniczących.
Teorie unifikacji są próbą zrozumienia Wszechświata i wytłumaczenia wszystkich oddziaływań za pomocą tylko jednej siły.

Wszechświat rozszerza się tak jak pompowany balon – każdy punkt oddala się od innych.
Odległe galaktyki uciekają od nas z prędkościami proporcjonalnymi do odległości od Ziemi. Tempo ucieczki oblicza się na podstawie obserwacji jako równe $\SI{70}{\kilo\metre\per\second\per\mega\parsec}$ . Im dalej znajduje się dana galaktyka, tym szybciej się od nas oddala. Najdalsze uciekają z prędkością bliską prędkości światła. Prędkości ucieczki mierzymy za pomocą obserwacji wielkości przesunięcia ku czerwieni (redshift), wynikającego z relatywistycznego efektu Dopplera.
Według obecnych modeli kosmologicznych Wszechświat powstał w wyniku Wielkiego Wybuchu ok. $\num{13,7}$ miliarda lat temu.
Zgodnie z zasadą kosmologiczną Wszechświat jest jednorodny i izotropowy. Ponadto jego ekspansja ciągle przyspiesza.

Wczesny Wszechświat był bardzo gorący i gęsty.
Wszechświat jest izotropowy, jednorodny i stale się rozszerza.
Mikrofalowe promieniowanie tła (promieniowanie reliktowe) to dowód na prawdziwość teorii Wielkiego Wybuchu.
Ogromna większość energii i masy we Wszechświecie jest wciąż nierozpoznana.