Inom fysiken är en elementarpartikel eller fundamentalpartikel en partikel som inte består av andra partiklar.

En elementarpartikel kan tillhöra en av två huvudgrupper: en fermion eller en boson. Fermioner utgör materiens byggstenar och har ofta (men inte alltid) massa; bosoner fungerar som kraftbärare för fermionernas växelverkan och vissa av dem har ingen massa. Den teoretiska ram som bäst beskriver dessa partiklar och deras växelverkan är Standardmodellen. Enligt standardmodellen grupperas elementarpartiklarna i kvarkar, leptoner och gaugebosoner, medan Higgsbosonen har en särskild roll som en icke-gaugeboson kopplad till massgenerering via Higgsfältet.

Kvarkar, leptoner och bosoner

Kvarkar och leptoner är båda fermioner men skiljer sig i sina egenskaper och interaktioner. Kvarkar bär färgladdning (en egenskap kopplad till den starka växelverkan) och finns i sex “smaker” eller generationer: upp, ner, charm, märklig, topp och botten. Protoner och neutroner består av tre kvarkar vardera och är därför sammansatta partiklar. Kvarkar hålls samman av gluoner, som är bosoner för den starka kraften.

Leptoner inkluderar elektron, muon och tau samt deras neutriner. Av de partiklar som ingår i en atom är det bara elektronen som är en elementarpartikel; protoner och neutroner är sammansatta. Neutriner är neutrala, mycket lätta leptoner som kan passera genom materia nästan obemärkt och som kan växla mellan olika typer (flavour-oscillation).

Gaugebosonerna i standardmodellen förmedlar de fundamentala krafterna: fotonen för elektromagnetism, gluonerna för den starka kraften och W- och Z-bosonerna för den svaga växelverkan. Gravitationen är ännu inte införlivad i standardmodellen; en hypotetisk bärare skulle vara graviton (ej observerad experimentellt).

Sammansatta partiklar och kärnkraft

Protoner och neutroner består av kvarkar bundna av gluoner. Inuti atomkärnan finns dessutom en kortdistansattraktion som ofta beskrivs med ett effektivt pionfält; dessa virtuella pioner är i verkligheten kvark–antikvark‐par som medieras av gluoner och ger upphov till den starka kärnkraften som binder protoner och neutroner samman trots den elektromagnetiska repulsionen mellan positivt laddade protoner.

Egenskaper: massa, laddning och spinn

Det finns tre grundläggande egenskaper som vanligtvis används för att beskriva en elementarpartikel: massa, laddning och spinn. Varje egenskap kan representeras med ett numeriskt värde och vissa av dem kan vara noll (till exempel har en foton noll massa och en neutrino noll elektrisk laddning). Dessa egenskaper är karakteristiska för en given partikeltyp och förändras inte under normala omständigheter.

  • Mass: En partikel har massa om det krävs energi för att ändra dess rörelsetillstånd, till exempel för att accelerera den. I tabellen till höger anges massan för varje elementarpartikel. Värdena anges i MeV/c2s (det vill säga uttalat megaelektronvolt över "c" i kvadrat), det vill säga i energienheter över ljusets hastighet i kvadrat. Detta kommer från den speciella relativitetsteorin, som säger att energi är lika med massa gånger kvadraten på ljusets hastighet. Alla partiklar med massa producerar gravitation. Alla partiklar påverkas av gravitationen, även partiklar utan massa som fotonen (se allmän relativitetsteori).
  • Elektrisk laddning: Partiklar kan ha positiv eller negativ laddning, eller ingen. Om en partikel har en negativ laddning och en annan partikel har en positiv laddning dras de två partiklarna till varandra. Om båda partiklarna har en negativ laddning, eller båda har en positiv laddning, pressas de två partiklarna isär. På korta avstånd är denna kraft mycket starkare än gravitationskraften. En elektron har laddning -1. En proton har laddning +1. En neutron har en genomsnittlig laddning 0. Normala kvarkar har laddningen ⅔ eller -⅓.
  • Spinn: En partikels vinkelmoment eller konstanta vridning har ett visst värde, som kallas spinntalet. Spinn för elementarpartiklar är ofta 1/2, 1 eller 0 (men kan också vara andra kvantvärden). Partiklarnas spinnegenskap betecknar förekomsten av kvantiserat vridmoment. I vardagsterman "spinnar" inte partiklarna runt sin egen axel likt en boll—spinn är en kvantmekanisk egenskap utan klassisk motsvarighet.

Massa och laddning är egenskaper som är lätta att koppla till vardagliga fenomen, eftersom gravitation och elektromagnetism påverkar objekt vi ser och rör vid. Däremot påverkar spinn främst subatomära egenskaper och kvantmekaniska statistiska lagar, till exempel Pauli-exklusionsprincipen som gäller för fermioner (två identiska fermioner kan inte befinna sig i samma kvanttillstånd), medan bosoner kan samlas i samma tillstånd och därigenom ge upphov till fenomen som superfluiditet och lasersammanställning.

Krafter och växelverkningar

Det finns fyra fundamentala krafter i naturen: gravitation, elektromagnetism, den starka växelverkan och den svaga växelverkan. I standardmodellen förmedlas tre av dem av bosoner: fotonen (elektromagnetism), gluoner (starka kraften) och W/Z-bosoner (svaga kraften). Gravitationen beskrivs av allmän relativitet men saknar ännu en fullständigt etablerad kvantmekanisk bärare i experimenten.

Antipartiklar, sönderfall och virtuella partiklar

Varje elementarpartikel har en motsvarande antipartikel med samma massa men motsatt elektrisk laddning (om laddningen är noll kan andra kvanttal skilja dem åt). Partiklar kan omvandlas genom växelverkningar och sönderfall — till exempel sönderfaller radioaktiva partiklar via svaga eller starka processer. I kvantfältteori förekommer också virtuella partiklar som kortlivade fluktuationer som bidrar till krafter mellan partiklar (t.ex. virtuella gluoner eller pioner som förmedlar bindningen i atomkärnan).

Mätning och enheter

Partiklars egenskaper mäts med partikeldetektorer i acceleratorkolliderare och andra experiment. Massor anges ofta i energienheten MeV/c2s (se ovan) eller i gigaelectronvolt per c-kvadrat (GeV/c2). Laddningar anges i enheter av elementarladdningen e, och spinn anges i enheter av ħ (reducerat Plancks konstant).

Sammantaget ger begreppet elementarpartikel en grundläggande bild av vilka byggstenar som finns i naturen och hur de växelverkar. Forskning inom partikelfysik fortsätter att söka svar på öppna frågor, till exempel om det finns fler partikeltyper än de i standardmodellen, hur gravitation passar in i en kvantteori, och vad som utgör mörk materia i universum.