Иногда за критерий относительной элементарности предлагается брать число законов сохранения, которым подчиняется тот или иной объект. Так, по мнению А. А. Бутакова, более сложной элементарной частицей является та, которая подчиняется большему числу законов сохранения, поскольку более высокие формы движения связаны с большим количеством таких законов. Поскольку каждый закон сохранения соответствует вполне определённой симметрии, то предполагаемый критерий означает, что объект тем элементарнее, чем меньшей симметрией он обладает. В действительности дело состоит как раз на оборот: опыт науки показывает, что переход к более глубоким материальным структурам до сих пор всегда сопровождался открытием новых типов симметрии, которые «портятся» на уровне более высокоорганизованных форм движения и в лучшем случае становятся лишь грубоприближёнными. В ядерной физике больше симметрий, чем в электродинамике.
Проблема элементарности особенно осложнилось после того, как было установлено, что элементарные частицы хотя и не делятся на простейшие в обычном геометрическом смысле и поэтому действительно должны рассматриваться как элементарные, но в то же время обладают пространственной протяжённостью и сложной внутренней структурой. Элементарность и структурность оказались неразрывно слитыми в одном и том же объекте. Можно сказать, что каждый отдельный фрагмент структуры элементарной частицы несёт информацию о частице в целом, а информация, скрытая в локальных деталях структуры, в свою очередь определяется свойствами объекта как целого.
- Систематика элементарных частиц. Суперэлементарные частицы.
Основная трудность, которая возникает при определении понятие элементарной частицы связано с тем, что в настоящее время таких частиц оказывается очень много – значительно больше, чем атомов химических элементов. Недавно были открыты частицы в 10 раз более тяжёлые, чем протон, и приблизительно с такой же массой, как у ядра бора.
Отчаявшись выявить какую – либо иерархию в разрастающемся множестве равноэлементарных объектов, некоторые физики выдвинули идею бутстрапа («шнуровки», или «ядерной демократии»), согласно которой каждая элементарная частица состоит из всех других частиц (точнее, структура каждой элементарной частицы определяется взаимодействиями всех других частиц). Однако эта идея не устраняет чувства удовлетворённости из – за слишком большого числа «наипростейших сущностей» последовательная формулировка идеи бутстрапа, напоминающая чем – то концепцию Демокрита приводит к выводу о бесконечном числе элементарных объектов.
Структура микрообъектов в теории бутстрапа принимает относительный смысл – что - то вроде особой системы координат, которую можно выбрать различным образом. Определение элементов структуры становится весьма неоднозначным. Так как одну и туже частицу можно различными способами «составить» из других частиц. Более того, остаётся неясным, можно ли вообще на этом пути сформулировать точную замкнутую систему уравнений, определяющую различные свойства, в том числе и структуру элементарных частиц. Теоретиками анализировались лишь очень грубые модели бутстрапа, учитывающие взаимосвязь всего двух – трёх сортов частиц, и, хотя в ряде случаев были получены обнадёживающие качественные результаты, попытки их уточнения сразу же наталкиваются на огромные трудности. Идею бутстрапа нельзя считать удовлетворительным решением проблемы «наипростейших элементов».
Значительно более плодотворным оказался путь объединения частиц в замкнутые группы (мультиплеты), члены каждой из которых могут трактоваться как различные состояния одной и той же частицы. Руководящим принципом при этом служит выявление симметрий в свойствах различных частиц. Такой «групповой подход», использующий хорошо разработанный математический аппарат теории групп, является дальнейшим развитием формализма зарядовых (изотопических) мультиплетов.
Большое значение имело открытие так называемой унитарной симметрии, позволившее объединить изотопические мультиплеты «обычных» и странных частиц в единые октеты и декаплеты. Учёт спинов дал возможность построить ещё более сложные семейства частиц: унитарные мультиплеты мезонов объединились в семейство, состоящее из 35 частиц («35 - плет»), а октет и декаплет барионов – в семейство из 56 элементов («56 - плет»).
Дальнейшее разработка систематики частиц связана с идеей кварков. Выяснилось, что отдельные унитарные мультиплеты не являются совершенно изолированными друг от друга, а связаны строгими правилами симметрии. И самым поразительным было то, что эти правила предсказывали существование частиц с дробными электрическими зарядами – кварков. Вот эти – то частицы на современном уровне развития науки действительно можно считать «самыми элементарными», потому что из них могут быть построены всё остальное взаимодействующие частицы – иногда «простым сложением», как атомные ядра из протонов и нейтронов, а иногда рассматривая их как возбуждённые состояния уже построенных частиц, - и в то же время сами кварки нельзя построить из других элементарных частиц. В этом смысле кварки существенно отличаются от всех других частиц, среди которых, как уже отмечалось, невозможно выделить какие – либо более элементарные «строительные элементы». Кварки можно рассматривать как следующий, более глубокий, «суперэлементарный» уровень организации материи и с точки зрения величины дефекта масс, то есть плотности из упаковки внутри протонов, мезонов и других «менее элементарных» объектов.
С позиции теории кварков структурный уровень элементарных частиц – это область объектов, состоящих из кварков и антикварков и характеризуемых большим дефектом масс в отношении любых их распадов и виртуальных диссоциаций. Вместе с тем, хотя кварк и является «самой простейшей » известной сегодня частицей, он обладает очень сложными свойствами. От всех других известных нам частиц кварк отличается не только дробным электрическим зарядом, но и дробным барионным числом. Среди других элементарных частиц он выглядит неким кентавром: по своим свойствам он одновременно и мезон, и барион.
Первоначально считалось, что кварк имеет три состояния: два из них различаются лишь величиной электрического заряда, а в третьем состоянии кварк проявляется как странная частица. Однако после открытия семейств «шармированных» (очарованных) частиц к трём состояниям кварка пришлось добавить четвёртое – «шармом». На самом большом мире ускорителе протонов в Батавии, близ Чикаго, была обнаружена новая удивительная частица - e-мезон. Его масса значительно превосходит массу нуклона, а свойства таковы, что его приходится рассматривать как слипшиеся кварк и антикварк. При этом приходится допустить, что кварк и антикварк обладают ещё одним, пятым по счёту состоянием. Для квантового числа, характеризующего это состояние, ещё нет даже общепринятого названия (чаще всего его называют «прелестью кварка» или соответствующим английским термином «бьюти»). Пять квантовых степеней свободы кварка принято называть его «ароматом» (некоторые авторы предпочитают говорить о пяти «степенях вкуса кварка»).
Но и эти не исчерпывается перечень свойств кварка. Анализ экспериментальных данных привёл к выводу, что каждый из пяти «ароматов» («вкусов») кварка имеет три «цвета», то есть каждое из пяти состояний кварка расщеплено ещё на три независимых состояния, характеризуемых величиной специфического квантового числа – «цвета». «Цвет» у кварка изменяется при испускании или поглощении им глюона – кванта промежуточного поля, «склеивающего» кварки и антикварки в мезоны и барионы. (Можно сказать, что глюонное поле – это «поле цвета», его кванты переносят «цвет». Термин «глюоны» происходит от английского слова glue – клей).
В настоящее время идея суперэлементарных частиц – кварков буквально пронизывают физику энергий. С их помощью объясняется так много экспериментальных данных, что физику просто невозможно обойти без этих удивительных частиц, так же как, например, химику – без атомов и молекул. По мнению большинства физиков, если кварки не существуют в природе как реальные объекты, то это само по себе являлось бы поразительной загадкой.
И вместе с тем кварки никогда не наблюдались в «чистом виде», хотя, с тех пор как они были введены в теорию, прошло почти два десятилетия. Все многочисленные попытки обнаружить кварки или глюоны в свободном состоянии неизменно заканчиваются неудачей. Строго говоря, глюоны и кварки остаются пока хотя вероятными, но всё же гипотетическими объектами.
В том, что кварки и глюоны – это физические объекты, а не просто удобный феноменологический способ описания на привычном для нас корпускулярном языке каких – то ещё непонятных аспектов структуры элементарных частиц, убеждают косвенные опыты. Прежде всего это эксперименты по «зондированию» протонов в нейтрон с помощью очень быстрых электронов и нейтрино, когда налетающая частица рассеивается (отскакивает), сталкиваясь с одним из находящихся внутри частицы – мишени кварков.
С учётом кварков список сильно взаимодействующих суперэлементарных частиц сведётся к трём частицам: кварку, антикварку и связывающему их глюону. К ним следует добавить ещё приблизительно десяток «наипростейших частиц» других типов, структура которых пока ещё не проявляется в эксперименте: квант электромагнитного поля – фотон, уверенно предсказываемый теоретиками гравитон и семейство лептонов.