درفیزیک ذرات،یک ذرهٔ بنیادی (بهانگلیسی:Fundamental particle) یاذرهٔ ابتدایی (بهانگلیسی:Elementary particle) ذره‌ای است که از ذرات دیگر تشکیل نشده است.[۱]مدل استاندارد در حال حاضر هفده ذرهٔ متمایز را به رسمیت می‌شناسد - دوازدهفرمیون و پنجبوزون. در نتیجهٔ ترکیباتمزه ورنگ وضد ماده، فرمیون‌ها و بوزون‌ها به ترتیب دارای ۴۸ و ۱۳ وضعیت متغیر هستند.[۲] در میان ۶۱ ذره بنیادی که توسط شماره مدل استاندارد پذیرفته شده‌اند:الکترون‌ها و سایر لپتون‌ها، کوارک‌ها و بوزون‌های بنیادی. ذرات زیراتمی مانند پروتون‌ها یا نوترون‌ها که حاوی دو یا چند ذره بنیادی هستند به عنوان ذرات مرکب شناخته می‌شوند.
ماده معمولی از اتم هایی تشکیل شده است که زمانی تصور می شد خود ذرات بنیادی غیرقابل تقسیم هستند. نام اتم از کلمه یونانی باستان ἄτομος ( atomos ) گرفته شده است که به معنای تقسیم ناپذیر یا غیرقابل قطع است . علیرغم تئوری هایی که هزاران سال در مورد اتم ها وجود داشت، وجود واقعی اتم ها تا سال 1905 بحث برانگیز بود. در آن سال آلبرت انیشتین مقاله خود را در موردحرکت براونی منتشر کرد و نظریه هایی را کهمولکول ها را توهمات ریاضی می دانستند، متوقف کرد . انیشتین متعاقباً ماده را به عنوان ماده ای که در نهایت از غلظت های مختلف انرژی تشکیل شده است شناسایی کرد . [ 1 ] [ 3 ]
اجزای زیراتمی اتم برای اولین بار در اواخر قرن نوزدهم شناسایی شدند که با الکترون شروع شد ، سپس پروتون در سال 1919، فوتون در دهه 1920 و نوترون در سال 1932 قرار گرفتند. [ 1 ] در آن زمان ظهور کوانتوم بود. مکانیک تعریف "ذره" را با ارائه درکی که در آن وجودی همزمان را به عنوان امواج ماده انجام می دهد، به شدت تغییر داده بود . [ 4 ] [ 5 ]
از زمان تدوین آن در دهه 1970، توضیحات نظری زیادی در مورد مدل استاندارد و فراتر از آن انجام شده است. اینها شامل مفاهیم ابر تقارن است که با این فرضیه که هر ذره شناخته شده با شریک "سایه ای" بسیار پرجرم تر ارتباط دارد، تعداد ذرات بنیادی را دو برابر می کند. [ 6 ] [ 7 ] با این حال، مانند یک بوزون اولیه اضافی واسطه گرانش، چنین ابر شرکای تا سال 2024 کشف نشده باقی می مانند. [ 8 ] [ 9 ] [ 1 ]
سؤالی که پیش می‌آمد این بود که چه چیزی پروتون‌های بابار مثبت را در هسته در کنار هم نگه می‌داشت؟در ۱۹۳۴یوکاوا وجودنیروی قوی هسته‌ای را پیش‌بینی نمود.اینشتین قبلاً ذره‌ای را حاملنیروی الکترومغناطیس توصیف کرده بود این ذرهفوتون نام داشت. حال سؤال این بود که آیا این نیروی جدید را هم می‌شود با یک ذره حامل نشان داد؟ که یوکاوا نام ذره پیشنهادی حامل این نیرو رامزون گذاشت. هرچند بعدها این ذرهمیون نامیده شد و مزون به رده دیگری از ذرات گفته شد. در سال ۱۹۳۷ این ذره در آزمایشگاه کشف شد.
در ۱۹۲۷ هنگامی کهدیراکمعادله شرودینگر را به صورتنسبیتی بازنویسی کرد به جواب عجیبی برخورد. به ازای هر جواب مثبتانرژی، یک جواب منفی نیز به دست می‌آمد. دیراک این جواب‌ها را بانظریه حبابی توصیف کرد تا این که در دهه چهل میلادیفاینمن تعریف ساده‌تری برای این جواب ارائه داد، این جواب‌ها ذراتپادماده را توصیف می‌کردند. در ۱۹۳۱ پاد ماده الکترون، در ۱۹۵۵ پاد ماده پروتون در آزمایشگاه کشف شدند.
در ۱۹۳۰ بررسیواپاشی هسته خواص عجیبی را نشان می‌داد. مقداری از انرژی طی واپاشی گم می‌شد.ولفگانگ پاولی پیش‌بینی کرد که ذره‌ای دیگر این انرژی را با خود حمل می‌کند. این ذره رانوترینو نامیدند. نوترینو سال‌ها بعد در آزمایشگاه کشف شد.
با این اکتشاف‌ها گمان می‌رفت که تمام ذرات بنیادی یافت شده و مشکل توضیح داده نشده‌ای وجود ندارد.
در سال ۱۹۴۷راچستر و باتلر دراتاقک ابر پدیده‌ای جدید را مشاهده کردند. این یک ذره جدید بود پس از آن موجی از اکتشافات ذرات جدید به راه افتاد. این ذرات نوین را ذرات شگفت نامیدند چون خواص شگفتی داشتند. تعداد زیاد ذره‌ها و این که نمی‌توانستند این ذرات را دسته‌بندی کنند سردرگمی زیادی در فیزیک ذرات بنیادی به وجود آورد.
در ۱۹۶۱موری گلمان روشی برای دسته‌بندی ذرات کشف شده ارائه کرد. او جدولی که به نامراه هشت‌گانه بود را ساخت که توسط آن می‌شد ذرات بنیادی کشف شده را دسته‌بندی کرد. این کار شبیه بهجدول تناوبیمندلیف بود.
بر اساس این جدول در ۱۹۶۴ گلمان وشوایگ پیشنهاد کردند که در واقع این ذرات کشف شده خود از ذرات ریزتری تشکیل شده‌اند که این ذرات راکوارک نامیدند.
مدل کوارک بسیاری از خواص ذرات را به درستی پیش‌بینی می‌کرد ولی بنیان تجربی برای درستی مدل کوارکی وجود نداشت.
در نوامبر ۱۹۷۴ دو تیم پژوهشی به صورت همزمان مزون جدیدی به نام مزونسای را کشف کردند. به این رویدادانقلاب نوامبر گفته می‌شود. بحث‌های زیادی در مورد ماهیت این ذره درگرفت ولی سر انجام تنها مدل کوارکی بود که توصیف درستی از این ذرات ارائه داد. این در واقع بر پایه چهارمین کوارکی بود که مدل کوارکی پیشنهاد می‌داد. پس از این کشف مدل کوارکی وجود شش کوارک را پیش‌بینی کرد.
در ۱۹۷۸ سرانجام یک توصیف همه‌جانبه از ذرات بنیادی به وجود آمد که با این توصیفمدل استاندارد ذرات بنیادی گفته‌می‌شود. مدل استاندارد هنوز هم در فیزیک ذرات کاربرد دارد.
بر مبنای مدل‌های کنونیِهسته‌زایی مه‌بانگ، ترکیب اولیه ماده درجهان قابل مشاهده باید حدود ۷۵٪ هیدروژن و ۲۵٪هلیوم ۴ (درصد جرمی) باشد. نوترون‌ها از یککوارک بالا و دو پایین ساخته شده‌اند، در حالی که پروتون‌ها از دوکوارک بالا و یککوارک پایین ساخته شده‌اند. از آنجا که سایر ذرات بنیادی معمول (مانند الکترون‌ها، نوترینوها یا بوزون‌های ضعیف) در مقایسه با هسته‌های اتمی بسیار سبک یا بسیار نادر هستند، می‌توان از سهم توده آن‌ها در کل جهان قابل مشاهده صرف‌نظر کرد؛ بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که بیشتر جرم قابل مشاهده در جهان از پروتون و نوترون تشکیل شده‌است، که مانند همهٔ باریون‌ها، به نوبهٔ خود شامل کوارک‌های بالا و کوارک‌های پایین هستند.
برخی تخمین‌های ارائه‌شده نشان می‌دهد که تقریباً ۱۰۸۰باریون (تقریباً تمامی پروتون‌ها و نوترون‌ها) در جهان قابل مشاهده وجود دارد.[۳][۴][۵]
از نظر تعداد ذرات، برخی تخمین‌ها که عبارت «تقریباً کل ماده» را به‌کار برده‌اند، افزوده‌اند: به استثنایماده تاریک، ونوترینوها را شامل می‌شود، که اکثریت تقریباً ۱۰۸۶ ذرهٔ بنیادی ماده را تشکیل می‌دهند که در جهان قابل مشاهده وجود دارد.[۵]
برآوردهای دیگر حاکی از آن است که تقریباً ۱۰۹۷ ذره بنیادی در جهان قابل مشاهده (بدون احتساب ماده تاریک) وجود دارد، که بیشتر فوتون‌ها و دیگرذرات حامل نیروی بدون جرم هستند.[۵]
مدل استانداردفیزیک ذرات بنیادی، نام نظریه‌ای مربوط به نیروهایالکترومغناطیس،هسته‌ای قوی،هسته‌ای ضعیف و همچنین طبقه‌بندیذرات زیراتمی شناخته‌شده‌است. این مدل در نیمه دوم قرن بیستم در نتیجه تلاش‌های مشارکت‌آمیز دانشمندان در عرصه جهانی شکل گرفت. در این مدل جهان و نیروهای بنیادی به جز گرانش، از ۶۱ ذره بنیادی تشکیل شده‌اند. مدل استاندارد در حال حاضر نظریه اصلی و مورد پذیرشجامعه علمی در مورد ذرات بنیادی می‌باشد. در ساختار اصلی مدل استانداردنیروی گرانش بررسی نمی‌شود اما در برخی تعمیم‌های مدل استاندارد نیروی گرانش توسط ذره‌ای به نام گراویتون توضیح داده می‌شود.
شبیه‌سازی داده‌های آشکارساز ذراتبرخورددهندهٔ هادرونی بزرگ که یکبوزون هیگز که از برخورد پروتون‌هایی به‌وجود آمده است که به فواره‌های هادرونی و الکترون‌ها واپاشی می‌شود.
مدل استاندارد با وجود موفقیت‌های زیاد، قادر به توضیح کلیه پارامترها نیست و باید برخی از پارامترها به صورت اختیاری در نظریه وارد شود. برای رفع این موضوع نظریه‌هایی فراتر از مدل استاندارد ارائه گشته‌است.
نظریّهٔ وحدت بزرگ یاGUT به هرکدام از نظریه‌ها و مدل‌هایی می‌گویند که پیش‌بینی‌شان این است که در انرژی‌های بسیار بالا (بیشتر از) نیروهایالکترومغناطیسی،هسته‌ای ضعیف وهسته‌ای قوی یک میداننیروی واحد بوده‌اند.
