פיזיקת חלקיקים

פִיזִיקַת חֶלְקִיקִים היא ענף בפיזיקה שחוקר את המבנים הבסיסיים של החומר והקרינה ואת התגובות ביניהם. ענף זה בפיזיקה נקרא גם לעיתים פיזיקה של אנרגיות גבוהות, מכיוון שחלקיקים יסודיים רבים אינם מופיעים במצבים רגילים בטבע, אך יכולים להיווצר ולהתגלות במהלך התנגשויות אנרגטיות של חלקיקים אחרים, כפי שקורה במאיצי חלקיקים.
מודל החלקיקים הבסיסי נקרא המודל הסטנדרטי והוא מאחד את כל החלקיקים היסודיים המוכרים והכוחות בטבע, מלבד כבידה. התורה הפיזיקלית המשמשת כבסיס המתמטי לפיזיקת החלקיקים ולמודל הסטנדרטי היא תורת השדות הקוונטית.

חלקיקים תת-אטומיים

פיזיקת חלקיקים מודרנית מתרכזת בחלקיקים תת-אטומיים, להם מבנה פחות מורכב מזה של אטום. חלקיקים אלה כוללים את מרכיבי האטום, אלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים (פרוטונים ונייטרונים הם, למעשה, חלקיקים מרוכבים, המורכבים מקווארקים), חלקיקים המיוצרים על ידי שיטות של הקרנה ופיזור, כמו הפוטון, הנייטרינו והמיואון, כמו גם קשת רחבה של חלקיקים אקזוטיים.
אם לדייק, המינוח "חלקיק" אינו שם מתאים כל-כך. העצמים הנחקרים בפיזיקת חלקיקים מצייתים לעקרונות של מכניקת הקוונטים. ככאלו, הם מצייתים לדואליות הגל-חלקיק, כלומר, מקיימים התנהגות חלקיקית תחת תנאי ניסוי מסוימים, והתנהגות גלית תחת תנאים אחרים. באופן תאורטי, הם אינם יכולים להיות מתוארים כגלים, וגם לא כחלקיקים, אלא כווקטורי מצב במרחב הילברט מופשט. לתיאור מפורט יותר, ראו את תורת השדות הקוונטית.
כל החלקיקים שנצפו עד כה כבר נחזו קודם לכן בתורת השדות הקוונטית בשם המודל הסטנדרטי, אליו מתייחסים לעיתים כאל התאוריה המוצלחת ביותר של פיזיקת החלקיקים עד היום. המודל כולל 47 סוגים של חלקיקים יסודיים, כמה מהם יכולים להתרכב וליצור חלקיקים מרוכבים, מה שיוצר פתח לקיומם של עוד מאות סוגים של חלקיקים, שרובם נתגלו בסוף שנות ה-60. המודל הסטנדרטי נמצא מדויק כמעט בכל המבחנים הניסויים שנעשו עד היום. אך למרות זאת, רוב מדעני החלקיקים מאמינים שזהו תיאור חלקי בלבד של הטבע, ושישנה תאוריה בסיסית יותר שעתידה להתגלות. בשנים האחרונות, מדידות של מסת הנייטרינו סיפקו את החריגות הראשונות מהמודל הסטנדרטי.
לפיזיקת חלקיקים הייתה השפעה גדולה מאוד על הפילוסופיה של המדע. חלק מהעוסקים בתחום עדיין דבקים ברדוקציוניזם, מושג ישן אשר בנוגע אליו קיימת ביקורת רבה מצד פילוסופים ומדענים כאחד. חלק מהדיון בעניין מתואר למטה.
בשנות ה-50 וה-60 נתגלה מגוון רחב של חלקיקים, בניסויים שונים. דבר זה זכה לכינוי "גן החיות של החלקיקים", והוביל לשאלה: ממה מורכבים חלקיקים אלה. בשנות ה-70 נוסח המודל הסטנדרטי, שבו קיומו של מספר רב כל-כך של חלקיקים הוסבר כצירופים של מספר קטן (יחסית) של חלקיקים בסיסיים. על הרקע ההיסטורי להתפתחותה של פיזיקת החלקיקים ראו בערך מבנה החומר.

פיזיקת חלקיקים תאורטית ופנומנולוגיה

פיזיקאי חלקיקים העוסקים בניסויים הם רק נתח קטן מכלל הפיזיקאים העוסקים בחלקיקים. הקבוצה השנייה של פיזיקאים העוסקים בתחום זה הם תאורטיקנים. בפיזיקת אנרגיות גבוהות, המילה תאורטיקן מתייחסת לפיזיקאי תאורטי שמטרתו העיקרית היא לפתח כלים תאורטיים ומתמטיים שעשויים לתאר ולהסביר את המציאות הפיזיקלית - זו שכבר נצפתה וזו שטרם נצפתה. באשר למציאות הפיזיקליים שטרם נצפתה, הפיזיקאי התאורטיקן מנסה לספק ניבויים אשר ניתן (או ניתן יהיה) לבחון אותם בניסוי או בתצפית. עבור חלק מהתאורטיקנים תיאור המציאות המוכרת נמצא בעדיפות שנייה והם עוסקים 'בגביע הקדוש של הפיזיקה' היינו, פיתוח תאוריית-על שמטרתה לתאר את כל הסקטורים של המציאות הפיזיקאלית באמצעות תאורייה מאוחדת. בימים אלו, רוב התאורטיקנים העוסקים באנרגיות גבוהות עובדים על תורת המיתרים. אחרים עובדים על נגזרות או הרחבות של תורת היחסות הכללית בהקשר של תורת איחוד כללית, או על כבידה לולאתית. 
תאורטיקנים שמטרתם העיקרית היא להסביר באופן כמותי תוצאות של ניסויים בהווה וניסויים מתוכננים לעתיד הקרוב נקראים פנומנולוגים, או לעיתים גם מרכיבי מודלים. למרות שהם יכולים לקבל השראה מתורת המיתרים (תהא הסיבה לכך אשר תהא), הפורמליזם המתמטי העיקרי שלהם הוא ביצירת תיאורית שדה אפקטיבית. בין התופעות הפיזיקליות האפשריות שהם מנסים ללמוד ניתן למצוא: סימטריית-על, מכניקת היגס, בעיית ההיררכיה, מודלי רנדל-סונדרום ומודלים אחרים עם ממדים נוספים, חבורות סימטריה שונות, ועוד.

פיזיקת חלקיקים ורדוקציוניזם

החיפוש אחרי חלקיקים אלמנטריים יש בו משום שימוש ב"תערו של אוקאם". במהלך ההתפתחות של פיזיקת החלקיקים היו התנגדויות רבות לגישה רדוקציוניסטית זו, שבה ניסו להסביר את הכל במונחים של חלקיקים יסודיים והתגובות ביניהם. התנגדויות אלו הועלו על ידי אנשים ממגוון רחב של תחומים, הכוללים פיזיקאי חלקיקים מודרניים רבים, פיזיקאים העוסקים בפיזיקת מצב מעובה, כימאים, ביולוגים ועוד. מבקרים אלו טוענים שאפילו ידע מוחלט על החלקיקים הבסיסיים לא ייתן ידע סופי על הטבע.
רדוקציוניסטים טוענים בדרך-כלל כי כל ההתקדמויות שנעשו בתחומי המדע היו תמיד מעורבות ברדוקציוניזם, עד גבול מסוים.