miniatura|Classificació de les partícules elementals segons el model estàndard. En física, una partícula elemental o partícula fonamental és qualsevol de les unitats bàsiques constituents de la matèria, no formades per altres unitats i considerades indivisibles segons els coneixements actuals. Val a dir que moltes partícules que antigament es consideraven fonamentals, com ara el protó o el neutró, avui en dia es consideren compostes.

Actualment, i d'acord amb el model estàndard de física de partícules, es consideren partícules elementals els quarks (u, d, c, s, t i b), els leptons (electró, muó, tauó i neutrins electrònic, muònic i tauònic), com també les corresponents antipartícules, i les partícules intermediàries (gravitó, fotó, gluó i bosons W± i Z0) de les interaccions fonamentals. A aquestes partícules elementals cal afegir-hi, segons els coneixements actuals, el bosó de Higgs.

Història La noció que la matèria està composta per blocs fonamentals té els seus orígens en els antics grecs, els quals especulaven que la terra, l'aire, el foc i l'aigua podrien formar els elements bàsics dels quals està construït el món físic. Hi hagué diverses escoles de pensament sobre la naturalesa última de la matèria. Potser la més notable fou l'escola atomista fundada pels filòsofs Leucip (segle v aC) i Demòcrit d'Abdera (460 aC-?370 aC). Per raons purament filosòfiques, i sense el suport de proves experimentals, desenvoluparen la noció que la matèria consta d'àtoms indivisibles i indestructibles. Els àtoms es mouen sense parar a través del buit que els envolta i col·lideixen entre ells com boles de billar, molt semblant a la teoria cinètica molecular moderna dels gasos. No obstant això, la necessitat d'un buit entre els àtoms plantejà noves qüestions que no es podien respondre fàcilment. Per aquest motiu, la representació atomística fou rebutjada pel filòsof Aristòtil (384 aC-322 aC) i l'escola atenenca a favor de la noció que la matèria és contínua amb quatre elements (teoria dels quatre elements). Malgrat això, la idea de l'àtom fou recuperada quatre-cents anys després en els escrits del poeta romà Lucreci (94 aC-?55 aC), en la seva obra De rerum natura (De la natura). miniatura|Joseph J. Thomson el 1896, descobridor de la primera partícula elemental, l'electró. No s'avançà gaire en la idea que la matèria podria estar composta per partícules petites fins al . El físic anglès Isaac Newton (1642-1727), a la seva obra Principia Mathematica (1687), proposà que la llei de Boyle, que estableix que el producte de la pressió i el volum d'un gas és constant a la mateixa temperatura, es podria explicar si s'assumeix que el gas està compost per partícules. En aquest procés deductiu fou d'especial importància el descobriment de les lleis ponderals. A partir d'elles, el 1808, el químic anglès John Dalton (1766-1844) suggerí que cada element químic està format per àtoms idèntics, indivisibles i inmutables, establint la primera teoria atòmica moderna, la teoria de Dalton.

El 1897 el físic anglès Joseph John Thomson (1856-1940) descobrí la primera partícula elemental, l'electró, acabant amb la idea de que l'àtom era indivisible. D'altra banda, les observacions que d'ençà del 1886 féu el físic alemany Eugen Goldstein (1850-1930) sobre els raigs anòdics o canals, i les experiències amb camps magnètics que en féu el físic alemany Wilhelm Wien (1864-1928) el 1898, indicaren l'existència d'una càrrega elemental positiva, amb càrrega igual a la de l'electró però amb signe oposat. Es tractava del protó, que es considerà en aquell moment partícula elemental.

Els físic alemany Albert Einstein (1879-1955) predigué l'existència del fotó en un article sobre la propagació de la llum el 1905, i la confirmació experimental és deguda als treballs realitzats sobre l'efecte Compton. En estudiar la radioactivitat β s'observà que no es complia el principi de conservació de l'energia i, per ajustar-se a aquest principi, el físic austríac Wolfgang Pauli (1900-1958) proposà el 1930 l'existència del neutrí, que no fou descobert, però, fins al 1956. miniatura|El 1905 el físic alemany Albert Einstein predigué l'existència del fotó. A principis dels anys trenta, el físic belga Léon Rosenfeld (1904-1974) publicà els primers articles tècnics sobre la gravetat quàntica. La relació amb un camp quàntic d'espín 2 aparegué aviat en els treballs del físic suís Markus Fierz (1912-2006) i de W. Pauli, i el quàntum d'espín 2 del camp gravitatori ja era una noció familiar en els anys trenta. El seu nom, gravitó, començà a emprar-se el 1934, quan aparegué en un article dels físics soviètics Dmitri I. Blokhintsev (1908-1979) i F.M. Gal'perin (publicat a la revista ideològica Sota la Bandera del Marxisme).

La mecànica quàntica relativista del físic anglès Paul A.M. Dirac (1902-1984) predí el 1931 l'existència d'una antipartícula de l'electró, el positró, que fou descobert l'any següent. El 1935 el físic japonès Hideki Yukawa (1907-1981) suggerí que, de manera anàloga a com els fotons transmeten la interacció electromagnètica, la interacció nuclear forta era transmesa per alguna partícula i proposà erròniament que eren pels mesons π, o pions, que foren descoberts el 1947. El muó fou descobert com a constituent de les cascades de partícules produïdes pels raigs còsmics l'any 1936 pels físics nord-americans Carl D. Anderson (1905-1991) i Seth H. Neddermeyer (1907-1988). A causa de la seva massa, al principi es pensà que era la partícula predita per Yukawa l'any 1935 per explicar la força nuclear forta que uneix protons i neutrons en els nuclis atòmics. Posteriorment, es descobrí, però, que un muó és un membre del grup de leptons de partícules subatòmiques, és a dir, mai reacciona amb nuclis o altres partícules mitjançant la forta nuclear forta.

D'ençà del 1947, hom ha descobert partícules que el físic estatunidenc M. Gell-Mann (1929-2019) anomenà estranyes. El 1955, el físic italià Emilio Segrè (1905-1989) i l'estatunidenc Owen Chamberlain (1920-2006) de la Universitat de Califòrnia a Berkeley utilitzant el Bevatró descobriren l'antiprotó; i el 1962, un equip dirigit pel físic estatunidenc Leon Max Lederman (1922-2018) de Brookhaven National Laboratory descobrí el neutrí muònic. miniatura|Murray Gell-Mann el 1965. El gran nombre de “partícules elementals” aleshores conegudes estimulà els primers intents de classificació. Hom formà isomultiplets amb partícules del mateix isoespín; així, protó i neutró tenien el mateix isoespín i podien ésser considerats dues manifestacions diferents, caracteritzades cadascuna per un valor de la tercera component d'isoespín, d'una única partícula, el nucleó. El 1961, M. Gell-Mann i, independentment, el físic israelià Yuval Ne'eman (1925-2006), agruparen els quatre isomultiplets dels barions de menor massa en un supermultiplet (loctet de barions d'espín-paritat 1/2+), mitjançant l'anomenat eightfold way (via òctupla). Per primera vegada s'observà 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 el físic soviètic nacionalitzat estatunidenc George Zweig (1937), independentment, proposaren els quarks, entitats elementals que formen totes les partícules que experimenten la interacció forta. Aquesta idea coincidia, essencialment, amb la hipòtesi proposada el 1967 pel físic estatunidenc de Richard Feynman (1918-1988) 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.

El leptó tau, o tauó, fou detectat en experiments dirigits pel físic estatunidenc Martin Lewis Perl (1927-2014) en el Centre de l'Accelerador Lineal de Stanford (SLAC) i en el Laboratori Nacional de Lawrence Berkeley (LBL) entre 1974 i 1977. Es dugueren a terme una sèrie d'experiments on feien xocar electrons contra positrons accelerats fins a grans velocitats (energia de fins a 4 GeV) utilitzant l'anell d'acceleració de positrons-electrons de Stanford (SPEAR) de 80 m de diàmetre i el detector de partícules SLAC-LBL. miniatura|François Englert (e) i Peter Higgs (d) el 2007. Després de l'èxit espectacular de l'electrodinàmica quàntica per explicar la força nuclear forta en els anys de la dècada de 1950, s'intentà formular una teoria similar per a la força nuclear feble. Això es pogué culminar al voltant del 1968 en una teoria unificada de l'electromagnetisme i les interaccions febles pel físics estatunidencs Sheldon Glashow (1932) i Steven Weinberg (1933-2021) i pel paquistaní Abdus Salam (1926-1996) i que predigué l'existència dels bosons intermediaris W± i Z0. El descobriment de les partícules W± i Z0, en si mateixes, hagué d'esperar a la construcció d'un accelerador de partícules a bastament potent per produir-les. La primera d'aquestes màquines que restà disponible fou el Super Sincrotó de Protons de l'Organització Europea per a la Recerca Nuclear (CERN), en què senyals gens ambigus de les partícules W es van poder veure en el gener del 1983 durant una sèrie d'experiments dirigits pel físic italià Carlo Rubbia (1934) i el neerlandès Simon van der Meer (1925-2011).

El mecanisme de Higgs, el que dona massa als bosons W± i Z0, fou teoritzat l'any 1964 en articles de tres grups diferents encapçalats pel físic belga François Englert (1932), per l'anglès Peter Higgs (1929-2024), i per l'estatunidenc Gerald Guralnik (1936-2014). L'any 1967, S. Weinberg i A. Salam incorporaren el mecanisme de Higgs de trencament espontani de simetria dins la teoria electrofeble de S. Glashow, en el que acabaria esdevenint el model estàndard de la física de partícules. Per la seva importància, el bosó de Higgs fou objecte d'una recerca intensiva per part de diversos grups experimentals. El 4 de juliol del 2012, el CERN anuncià el descobriment d'una nova partícula, de massa al voltant dels 125-127 GeV/c2, compatible amb el bosó de Higgs.

Quarks miniatura|Un protó és un barió format per tres quarks, dos u i un d.

Segons els coneixements actuals existeixen sis quarks, que són designats per la inicial del seu 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). Tanmateix, la matèria que observam només conté els quarks u i d que constitueixen els protons (uud) i els neutrons (udd).

Els quarks són caracteritzats per l'isoespín, la tercera component d'isoespín, la càrrega elèctrica (que és fraccionària ±⅓) i pels sabors (o aromes), que són l'''encant, lestranyesa, la bellesa i la veritat. Cadascuna de les sis espècies o sabors dels quarks pot presentar-se en tres colors diferents, anomenats, per convenció, vermell, verd i blau. La càrrega de color té en els quarks un paper similar al de la càrrega elèctrica en les partícules que interaccionen per via electromagnètica; el color és la càrrega de la interacció nuclear forta. Per ordre de masses creixents els més lleugers són el quark u amb una massa de 2,16 MeV/c2 i el quark d amb 4,67 MeV/c2; després el quark s, amb 104 MeV/c2; el quark c, al voltant de 1 027 MeV/c2; el quark b, amb uns 4 200 MeV/c2, i el quark t, el més pesant, que assoleix els 173 000 MeV/c2. L'antipartícula d'un quark és el corresponent antiquark⁣ (simbolitzats , , , , i ).'' miniatura|Estructura d'un pió π+ (un mesó). Les combinacions de quarks formen els hadrons, que es classifiquen en:

mesons, una combinació d'un quark i un antiquark de colors complementaris, per exemple els pions i el kaons, i, barions, combinació “incolora” de tres quarks, un de cada color, com ara els protons i els neutrons.