Дальше больше, возрастанию количества частиц способствовало изучение космических лучей, которые в 1925 году впервые их так назвал американский физик Роберт Эндрюс Милликен (1868–1953). Космические лучи – это частицы, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве, и состоят, главным образом, из долгоживущих частиц: на 92% из протонов, на 6% из ядер гелия, около 1% из электронов и около 1% приходится на более тяжелые элементы. Было также выявлено, что стабильными частицами в свободном состоянии являются протон, электрон, нейтрино и фотон. Остальные частицы являются нестабильными, они быстро распадаются. Время жизни нейтрона в свободном состоянии 880 сек (около 15 минут), время жизни остальных частиц 10^-6-10^-24 сек. В связи с этим есть мнение мало живущие частицы не следует считать частицами атома, а частицами-осколками, полученными в результате столкновения с высокой энергией частиц атома (по крайней мере, это полезно учащимся школ).

Далее элементарные частицы стали открываться на ускорителях, в которых с помощью электрических и магнитных полей частицы, получая большую энергию, а следовательно скорость, увеличенной порой до близкой к скорости света. Сталкиваясь с другими частицами, в результате получалось большое количество осколков, которые анализировались физиками. Ускорители подразделяются на 2 класса: линейные ускорители, в которых пучок частиц проходит ускоряющие устройства один раз; циклические ускорители, где пучки движутся по замкнутой кривой, проходя ускоряющее устройство многократно. Много небольших ускорителей применяется в медицине для радиационной терапии и в промышленности. К 60-м годам XX века частиц насчитывалось около сотни, естественно стало возникать подозрение элементарности частиц. В последствие, ближе к концу XX века, как стали говорят многие физики, открылся целый зоопарк частиц, их стало известно около 350, для которых появилась необходимость классифицировать их по принципу таблицы Менделеева и давать им названия. Так была создана стандартная теория физики элементарных частиц, однако противоречий и проблем ее обоснования не убавилось.

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия

Каждая из 12 частиц кварков и лептонов, имеет свою античастицу, которых тоже 12. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы. Имеется 12 переносчиков взаимодействий. В свободном состоянии находятся только лептоны – это слабовзаимодействующие частицы, а кварки и антикварки обладают сильным взаимодействием. Частицы, созданные из кварков и соответствующих антикварков, являются адронами. Комбинации положительных кварков с отрицательными антикварками дают мезоны. Комбинация из трех кварков создает барионы. Даже нейтрон имеет античастицу, которые отличаются зарядами магнитного момента и так называемого барионного заряда. Некоторые физики считают, что гравитон открыт, приводят даже доказательства и относят его к бозонам, однако официального подтверждения пока нет. Предполагается существование атомов антивещества, в ядре которого должны быть антинуклоны, а оболочка – из позитронов. Аннигиляции антивещества с веществом вызовет огромную энергию квантов излучения, значительно превосходящую энергию, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.

Столбцы частиц со своими античастицами сгруппированы в поколения (по-моему, неудачное понятие, лучше бы использовать уровни структурной организации частиц, но так сложилось исторически). В частности, специалист в области квантовой теории поля и физики элементарных частиц, член-корреспондент РАН Дмитрий Игоревич Казаков (1951 г. р.) в лекции отмечает: «Оказалось, что природа создала три копии (еще одно неудачное понятие). Все эти протоны, нейтроны, электроны – это все первая копия. Но зачем-то есть еще вторая и третья копии. Кстати, тут надо отдать должное – теоретики об этих копиях не думали. А экспериментаторы открыли вдруг новую частицу. Это была копия электрона – тяжелый электрон, назвали его мюоном. Открыли его в 1936 году. И никто не понимал – зачем? А потом оказалось, что всё имеет копию. Вот вам первая загадка: зачем природа сделала копию?»

Перед физиками давно маячило желание создать мощный ускоритель, с помощью которого они могли бы окончательно решить все проблемы элементарных частиц: надо было найти убедительные доказательства Стандартной модели, либо найти ее недостатки, или определить новые направления исследования микромира. В 2008 году запущен самый большой и мощный в мире ускоритель Большой адронный коллайдер (БАК), разгоняющий тяжелые встречные частицы до околосветовой скорости. «Большим» ускоритель назван из-за своих размеров: длина его кольца составляет почти 26 700 м, глубина залегания туннеля от 50 до 175 м; «адронным» – из-за ускорения адронов: протонов и тяжелых частиц; «коллайдером» – из-за того, что два ускоренных встречных пучка сталкиваются внутри детектора частиц. Идея создания БАК появилась еще в 1984 году, а проект на его строительство, разработанный Европейским центром ядерных исследований (CERN), принят в 1995 году.

Вокруг данного проекта было много споров и возражений. Появилась даже группа ученых, подавшая в суд, пытаясь остановить строительство, утверждая, что при работе БАК может появиться антиматерия, которая начнет аннигилировать с материей, начнется цепная реакция, и будет уничтожено все. Или возникнет черная дыра, которая поглотит коллайдер, затем Швейцарию и все остальное. Этими катастрофами, вплоть до апокалипсиса, некоторые ученые пугают до сих пор. Некоторые ученые утверждают, что нет необходимости строить дорогостоящие и массивные ускорители, можно воспользоваться природным аналогом ускорителей частиц, которым являются космические лучи. Физика космических лучей позволяет изучать те же процессы высоких энергий (хотя и не столь мощных) и физику элементарных частиц (зато в натуральных процессах), которую мы изучаем в различных коллайдерах, построенных человеком.

Строительство БАК началось в 2001 году после основательной подготовки. В строительстве и последующих исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров более чем из 100 стран, в том числе 800 ученых из России. Пытался собрать, и подсчитать стоимость строительства и последующей эксплуатации коллайдера не получилось, т. к. достоверной суммы получить не удалось, но это не столь важно, затраты были громадными.

10 сентября 2008 года официально было объявлено о запуске коллайдера. Однако 19 сентября произошла авария, и коллайдер пришлось остановить на ремонт, который занял остаток 2008 и большую часть 2009 года. Со второго пуска коллайдер работал на пониженной энергии, которая со временем постепенно повышалась с 1180 ГэВ до 4 ТэВ. 2013-14 годы практически полностью были заняты модернизацией коллайдера. В 2015 году запуск начался с 6,5 ТэВ и доведен до полной энергии столкновений 13 ТэВ. Ежегодные перерывы зимой производились для сбора и анализа статистики столкновений. В 2018 году коллайдер остановлен на 2 года для модернизации с целью повышения интенсивности пучков и светимости коллайдера. С такой периодичностью модернизаций коллайдер должен проработать до 2034 года. С целью обработки большего объема информации предусмотрено 170 вычислительных центра в 36 странах.

За время работы БАК 2010–2017 годы с указанными перерывами самым знаменитым достижением стало открытие бозона Хиггса, который стали называть «частица Бога». Кроме того были открыты несколько новых частиц, а также на рекордных энергиях столкновений показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов, обнаружены необычные корреляции протонов. При запуске в 2020 году предположительно БАК займется поиском темной материи, которая составляет большую часть Вселенной, но точно неизвестно, из чего она состоит.