El terme descriu tant objectes aparentment elementals (que, segons els coneixements del moment, no semblen constituïts d’unitats menors) com objectes composts (constituïts d’unitats més elementals). Això fa que hom tendeixi a bandejar el terme partícula elemental o partícula fonamental.
L’estructura i els constituents de la matèria són l’objecte d’estudi de la física de partícules, els principals instruments de recerca de la qual són l'accelerador de partícules, i els detectors (cambra), (comptador). La idea que la matèria s’estructura per l’agrupació d’unes poques unitats bàsiques té un origen remot i ha estat un dels fonaments més persistents del raonament físic. Al llarg del temps hom ha esbrinat l’estructura de la matèria amb més i més detall. Hom sap que una determinada substància és caracteritzada per la seva molècula; la gran diversitat de molècules pot ésser obtinguda, però, en combinar de diferents maneres un nombre petit d'àtoms (uns cent). En aquest sentit, l'àtom és la unitat bàsica que caracteritza les propietats d’un element químic. El s. XX ha demostrat que els àtoms no són unitats indivisibles, ans que són composts. Hom ha determinat que els àtoms són combinacions diferents de només tres tipus de partícules: hi ha un nucli, format per protons i neutrons, que és envoltat per capes d'electrons. Semblava, doncs, que l’estructura de la matèria podia ésser explicada amb aquestes tres partícules; tanmateix, el descobriment de noves partícules féu replantejar la situació progressivament.
Els indicis sobre el fotó potser es troben en els treballs d’Einstein sobre l’efecte fotoelèctric (1905), però la confirmació prové dels experiments realitzats sobre l’efecte Compton. En estudiar la radioactivitat β (partícula beta), Pauli proposà (1930) l’existència del neutrí, que no fou descobert, però, fins el 1956.
Constituents fonamentals de la matèria
©
La mecànica quàntica relativista de Dirac ja predeia (1931) l’existència d’una antipartícula de l’electró, el positró, descobert el 1932. Yukawa suggerí (1935) que, de manera anàloga a com els fotons transmeten la interacció electromagnètica, la interacció forta era transmesa pels mesons π, o pions, que foren descoberts el 1947. En estudiar els raigs còsmics, C. D. Anderson i S. H. Neddermeyer i, independentment, el grup de J. C. Street i E. C. Stevenson i el de Y. Nishima, M. Takeuchi i T. Ichimaya, descobriren (1936) el muó.
D’ençà del 1947, hom ha descobert partícules que M. Gell-Mann anomena estranyes. El 1955, l’equip de Berkeley descobrí l'antiprotó, i el 1962, l’equip de Brookhaven descobrí el neutrí muònic. A partir del 1953 hom ha anat descobrint partícules de vida molt curta, que hom anomena ressonàncies (les ressonàncies són partícules que es desintegren per via d’interacció forta); la manera principal en què una ressonància es desintegra és el seu mode de desintegració principal.
El gran nombre de “partícules elementals” aleshores conegudes estimulà els primers intents de classificació. Hom formà isomultiplets amb partícules del mateix isospin; així, protó i neutró tenien el mateix isospin i podien ésser considerats dues manifestacions diferents, caracteritzades cadascuna d’elles per un valor de la tercera component d’isospin, d’una única partícula, el nucleó. El 1961, M. Gell-Mann i, independentment, Y. Ne'eman, agruparen els quatre isomultiplets dels barions de menor massa en un supermultiplet (l'octet de barions de spin-paritat 1/2+), mitjançant l’anomenat eightfold way (via òctupla), i també agruparen els mesons π, els hiperons i una partícula hipotètica (que més tard fou descoberta, la η) en un altre supermultiplet (l'octet de mesons O-). Per primera vegada, doncs, la necessitat de “simetria” d’un model teòric implicava la suposició de l’existència d’una partícula encara no detectada; això mostrava, evidentment, que hi havia una estructura més fonamental, que aquestes partícules eren compostes d’entitats menors que, en combinar-se de totes les formes possibles, donaven lloc a totes les partícules.
El 1964, M. Gell-Mann i G. Zweig, independentment, proposaren els quarks, entitats elementals que formen totes les partícules que experimenten la interacció forta. Aquesta idea coincidia, essencialment, amb la hipòtesi (1967) de Feynman sobre l’estructura dels protons, que ell considerava formats per partons; els partons de Feynman eren, d’una banda, els quarks de Gell-Mann i, d’una altra, els gluons que mantenien units els quarks.
La física contemporània treballa amb un model estàndard de l’estructura i constituents de la matèria.
Principals hadrons (combinacions de quarks i antiquarks)
©
En aquest model, la natura pot ésser explicada en termes d’uns pocs constituents fonamentals que interaccionen mitjançant quatre interaccions fonamentals (interacció) que són transmeses per l’intercanvi d’unes partícules mediadores, o bosons de galga (teories de galga), tot ajustant-se a unes lleis de conservació.
Els constituents fonamentals formen dos grups. D’una banda, els sis leptons (electró e, neutrí electrònic νe, muó μ, neutrí muònic νμ, tauó τ, i neutrí tauònic ντ), que es caracteritzen per llur càrrega elèctrica i pels tres nombres leptònics (leptó). D’altra banda, els sis quarks (que són designats mitjançant la inicial de llur nom anglès: u [up: dalt], d [down: baix], c [charmed: encantat], s [strange: estrany], b [bottom: fons, o beauty: bellesa] i t [top: cim, o truth: veritat]) que es caracteritzen per l’isospin, la tercera component d’isospin, la càrrega elèctrica (que és fraccionària) i pels sabors (o aromes) dels quarks (que, capritxosament, són anomenats encant C, estranyesa S, bellesa b i veritat t). Cadascuna de les sis espècies o sabors dels quarks pot presentar-se en tres colors diferents, anomenats vermell, verd i blau (quark). Aquestes denominacions capritxoses (sabor, aroma, color, estranyesa, etc. ) no tenen res a veure amb llur significat convencional; els quarks no tenen color: el color designa aquí un tipus de càrrega genèrica que té en la interacció forta un paper semblant al de la càrrega elèctrica en la interacció electromagnètica. Les antipartícules dels leptons i els quarks són els antileptons i els antiquarks. Els quarks i antiquarks es combinen per formar els hadrons, que són les partícules sensibles a la interacció forta (que és estudiada per la cromodinàmica quàntica, QCD). No totes les combinacions són, però, possibles. Per començar, només ho són aquelles que donen com a resultat hadrons de càrrega elèctrica entera i que no tenen color (és a dir, tals que la càrrega total de color és nul·la) i, d’entre aquestes, només són possibles les combinacions que generen els mesons (combinació d’un quark i un antiquark de colors complementaris) i els barions (combinació “incolora” de tres quarks, un de cada color). Els quarks que formen aquests hadrons són lligats per gluons.
Classificacions de menor jerarquia també són possibles; per exemple, hom ha classificat els barions de spin 1/2 en nucleons (el protó i el neutró) i en hiperons. En resum, hi ha sis leptons i sis quarks; aquests darrers formen els mesons i els barions.
A banda, cal considerar les partícules mediadores, o bosons de galga, que transmeten les interaccions fonamentals. Són el fotó (transmet la interacció electromagnètica), els tres bosons intermediaris o febles (transmeten la interacció feble), els vuit gluons (transmeten la interacció forta) i el gravitó (que transmet la interacció gravitacional o gravitació). A més a més, hom ha de tenir en compte l’anomenat bosó de Higgs, que resulta exigit per la teoria d’unificació electrofeble, l’existència del qual (amb un molt elevat grau de probabilitat) hom anuncià l’any 2012 com a resultat dels experiments duts a terme amb el Gran Col·lisionador d'Hadrons.
Les classificacions contemporànies més reeixides són les següents. Hom agrupa els leptons i quarks en tres famílies o generacions: [e, νe; u, d], [μ, νμ; c, s] i [τ, ντ; t, b]. Només la primera família es presenta en els valors de l’energia usuals en l’experiència quotidiana, i sembla l’única rellevant en l’actual funcionament de l’Univers. Les altres dues famílies només apareixen en les experiències d’alta energia. Potser hi ha altres famílies, encara no detectades; la cosmologia teòrica permet de predir, però, que el nombre de famílies difícilment pot ésser superior a quatre; per llur banda, les dades experimentals permeten d’afirmar que aquest nombre és menor o igual que 5. Una segona classificació, molt àmplia, és la que divideix totes les partícules entre dues grans categories. D’una banda, les partícules que formen la matèria, és a dir, els leptons i els quarks, dites fermions, concepte aquest que estendria així la noció de partícula de matèria. D’altra banda, les partícules que transmeten les interaccions, dites bosons, concepte que estendria, així la noció de radiació. Una tercera classificació agrupa les partícules atenent quines de les tres interaccions fonamentals (forta, electrofeble i gravitacional) són sensibles: quarks, gluons i llurs composts (barions i mesons) són sensibles a les tres interaccions; leptons, fotons i bosons intermediaris són sensibles a totes llevat de la forta; i, finalment, el gravitó només és sensible a la gravitacional.
La investigació actual va pel camí d’una major simplificació. D’una banda, les teories de gran unificació (GUTS) suggereixen que quarks i leptons són manifestacions d’un mateix ens; un test que les confirmaria seria la verificació que el protó és inestable. Les teories de supersimetria es basen en una certa equiparació del paper dels fermions i dels bosons (concretament, els supermultiplets de partícules d’igual massa tenen fermions i bosons simultàniament); un test confirmatiu seria la detecció de les noves partícules que prediuen, les quals potser seran descobertes un cop s’hagin construït els grans supercol·lisionadors de partícules. La teoria de les supercordes assenyala la via a una unificació de totes les interaccions. Finalment, i basant-se en el fet que la història d’aquesta branca de la física demostra que la proliferació d’ens elementals és signe d’una substructura més simple, hom ha proposat que leptons i quarks no són elementals, ans són composts per entitats més bàsiques; així, J. -C. Pati i A. Salam proposaren (1973) l’esquema dels preons, H. Harari i M. A. Shupe donaren (1979) la idea dels rishons, i H. Fritzsch i G. Mandelbaum idearen (1981) els haplons, tots ells d’existència hipotètica.
L’esquema actual de l’estructura de la matèria és, doncs, provisional, i és condicionat a l’activa recerca d’aquest camp de la física.