Elementar zarrachalar fizikasi (EZF), ko‘pincha subyadro fizikasi deb ham ataladi; u fizikaning elementar zarrachalarning tuzilishi, xossalari va o‘zaro ta’sirlarini o‘rganuvchi bo‘limidir.

Nazariy elementar zarrachalar fizikasi hozirgi tajribalarda olingan ma’lumotlarni tushuntirish, kelajakdagi tajribalar natijalarini bashorat qilish va bunday tadqiqotlar uchun matematik vositalarni ishlab chiqish maqsadida nazariy modellar yaratadi. Hozirgi vaqtda nazariy elementar zarrachalar fizikasining asosiy vositasi — kvant maydon nazariyasi. Ushbu nazariyaga ko‘ra, har qanday elementar zarracha muayyan kvant maydonining qo‘zg‘alish kvanti sifatida qaraladi. Zarrachalarning har bir turi uchun alohida maydon kiritiladi. Kvant maydonlari o‘zaro ta’sirlashadi va bunda ularning kvantlari bir-biriga aylanishi mumkin.

Hozirgi vaqtda EZFda yangi modellar yaratishning asosiy usuli yangi lagranjianlarni tuzishdan iborat. Lagranjian boshqa maydonlar bilan o‘zaro ta’sirlashmaydigan erkin kvant maydonining dinamikasini tavsiflovchi dinamik qismdan hamda maydonning o‘z-o‘ziga yoki boshqa maydonlarga ta’sirini ifodalovchi qismdan tashkil topadi. Agar dinamik tizimning to‘liq lagranjiani ma’lum bo‘lsa, kvant maydon nazariyasining lagranj formalizmiga muvofiq maydonlar tizimining harakat (evolyutsiya) tenglamalarini yozish va ularni yechishga urinish mumkin.

Zamonaviy nazariy EZFning eng muhim natijasi — elementar zarrachalar fizikasining Standart modelini yaratishdir. Ushbu model maydonlarning kalibrlash o‘zaro ta’siri va kalibrlash simmetriyasining o‘z-o‘zidan buzilishi mexanizmiga (Xiggs mexanizmi) asoslanadi. So‘nggi bir necha o‘n yillikda uning bashoratlari tajribalarda qayta-qayta tekshirildi. Hozircha u dunyomiz tuzilishini taxminan 10⁻¹⁸ m gacha bo‘lgan masofa miqyosida munosib tavsiflay oladigan yagona fizik nazariyadir. Model jami 61 ta zarrachani tavsiflaydi.

Nazariy EZF sohasida ishlaydigan fiziklar oldida ikkita asosiy vazifa turadi: tajribalarni tavsiflash uchun yangi modellar yaratish va ushbu modellarning (jumladan, Standart modelning) bashoratlarini tajribada tekshirish mumkin bo‘lgan kattaliklar shakliga keltirish. Ikkinchi vazifani o‘rganadigan soha — elementar zarrachalar fenomenologiyasi.

O‘zaro ta’sir tushunchasi EZFda fizikaning boshqa sohalaridagi obyektlarning o‘zaro ta’siridan tubdan farq qiladi. Klassik mexanika bir-biri bilan o‘zaro ta’sirlashishi mumkin bo‘lgan jismlarning harakatini o‘rganadi. Biroq klassik mexanikada bu ta’sirning mexanizmlari batafsil aniqlashtirilmaydi. Bundan farqli ravishda, EZF zarrachalarning o‘ziga ham, ularning o‘zaro ta’sirlashish jarayoniga ham birdek e’tibor qaratadi. Chunki EZFda elektromagnit, kuchli va kuchsiz o‘zaro ta’sirlarni virtual zarrachalar almashinuvi sifatida tavsiflash mumkin. Bunday yondashuvning muhim postulati olamimiz kalibrlash almashtirishlariga nisbatan simmetrik bo‘lishi kerakligi haqidagi talabdir.

Zarrachalar va ularning o‘zaro ta’sirlarining teng huquqliligi supersimmetrik nazariyalarda yaqqol namoyon bo‘ladi. Bu nazariyalarda olamimizda yana bir yashirin simmetriya — supersimmetriya mavjudligi faraz qilinadi. Supersimmetriya almashtirishlarida zarrachalar o‘zaro ta’sirlarga, o‘zaro ta’sirlar esa zarrachalarga aylanadi, deb aytish mumkin.

Buning o‘ziyoq EZFning nihoyatda fundamental xususiyatini ko‘rsatadi: bu fan ilgari fizikaning boshqa bo‘limlarida shunchaki mavjud holat sifatida qabul qilingan olamimizning ko‘plab xususiyatlarini tushuntirishga intiladi.

Eksperimental elementar zarrachalar fizikasi ikki asosiy yo‘nalishga bo‘linadi: tezlatkichli va tezlatkichsiz tadqiqotlar.

Tezlatkichli EZF — uzoq yashovchi elementar zarrachalarni (tezlatkichda) yuqori energiyalargacha tezlatib, ularni bir-biri yoki harakatsiz nishon bilan to‘qnashtirishga asoslangan yo‘nalish. Bunday to‘qnashuvda juda kichik hajmda nihoyatda yuqori energiya konsentratsiyasi hosil bo‘ladi. Natijada yangi, odatda beqaror zarrachalar paydo bo‘ladi. Shu reaksiyalarning xususiyatlarini (muayyan turdagi hosil bo‘lgan zarrachalar soni, bu sonning boshlang‘ich zarrachalar energiyasi, turi, qutblanishi va uchib chiqish burchagiga bog‘liqligi va hokazolarni) o‘rganish orqali boshlang‘ich zarrachalarning ichki tuzilishi, xossalari va bir-biri bilan qanday o‘zaro ta’sirlashishini aniqlash mumkin.

Tezlatkichsiz EZF — olamimizni «passiv kuzatish» jarayonidir. Tezlatkichsiz tajribalarda tabiiy kelib chiqishga ega elementar zarrachalar tadqiq etiladi. Bunday tajribalarga neytrino teleskoplari deb ataluvchi qurilmalarda neytrinolarni kuzatish, protonning parchalanishini, neytrinosiz ikki karra beta-parchalanishni va katta hajmdagi modda ichida ro‘y beradigan boshqa nihoyatda kamyob hodisalarni izlash hamda kosmik nurlar bilan bog‘liq tajribalar kiradi.

Zamonaviy elementar zarrachalar fizikasida mutaxassislar hanuz yechilmagan bir qator muammolarni ajratib ko‘rsatadilar.

Tajribalarda tasdiqlangan neytrino ossillyatsiyalari hodisasi Standart modelning to‘liq emasligini ko‘rsatadi. Ayrim tajribalar esa ossillyatsiya amplitudasi quyidagi ikki turdagi zarrachada farqlanishi mumkinligidan dalolat beradi: neytrino va antineytrino.

Astrofizik va kosmologik tadqiqotlar Standart modeldan tashqarida ham fizik hodisalar mavjudligini ko‘rsatmoqda. Jumladan, kuzatuvlar Koinotning barion asimmetriyasini tasdiqlaydi, holbuki Standart modelda barion soni o‘zgarmas kattalik hisoblanadi. Kosmosda yashirin massa deb ataladigan hodisaning mavjudligi ham qayd etilgan. Bu odatda qorong‘i materiya mavjudligi bilan tushuntiriladi, biroq uning tabiati zamonaviy fizikaga noma’lum. Nihoyat, zamonaviy fizika Koinotning tezlashib kengayishini ham to‘liq tushuntirib bera olmaydi. Odatda bu hodisa quyidagi tushuncha bilan bog‘lanadi: qorong‘i energiya.

Alohida masala — kalibrlash iyerarxiyasi muammosi. Uning mohiyati shundaki, kuchli (200 MeV) va elektrokuchsiz (256 GeV) o‘zaro ta’sirlarning xarakterli energiya miqyoslari gravitatsion o‘zaro ta’sir miqyosidan (10¹⁹ GeV), shuningdek, o‘zaro ta’sirlarning Buyuk birlashuvi uchun taxmin qilinadigan miqyosdan (10¹⁶ GeV) hamda kuchli o‘zaro ta’sirlarda CP saqlanishi bilan bog‘liq miqyosdan (10¹⁴ GeV) bir necha daraja kichikdir. Bunday iyerarxiyaning tabiati, uning nima sababdan barqarorligi va ikkita miqyos guruhi o‘rtasida katta «bo‘shliq» mavjudligi dolzarb savollar bo‘lib qolmoqda.

Yana bir iyerarxiya muammosi fermionlarning massalari bilan bog‘liq. Standart model doirasida barcha fermion maydonlari (leptonlar va kvarklar) uchta avlodni tashkil etadi. Bunda turli avlodlarning massalari bir-biridan ko‘p marta farq qiladi, lekin turli avlodlarga mansub zarrachalarning boshqa xossalari farq qilmaydi. Ushbu iyerarxiyani tushuntirish zamonaviy fizikaning muammolaridan biri hisoblanadi.

Shuningdek, adronlarni tavsiflashda ham nazariy qiyinchiliklar mavjud. Xususan, konfaynmentning tabiatini tushunish uchun kvant xromodinamikasining noperturbativ usullaridan foydalanish talab etiladi.

Standart modeldan tashqaridagi fizika (boshqacha nomi — Yangi fizika) nazariy ishlanmalarni o‘z ichiga oladi. Ular Standart modelning quyidagi kamchiliklarini tushuntirish uchun zarur: massaning kelib chiqishi, kuchli CP muammosi, neytrino ossillyatsiyalari, materiya va antimateriya asimmetriyasi, shuningdek, qorong‘i materiya va qorong‘i energiyaning kelib chiqishi. Yana bir muammo Standart modelning matematik asoslari bilan bog‘liq: u umumiy nisbiylik nazariyasi bilan to‘liq mos kelmaydi. Ya’ni muayyan sharoitlarda bu nazariyalardan biri yoki ikkalasining tavsiflari o‘z kuchini yo‘qotishi mumkin (bunga fazo-vaqtning quyidagi singulyar holatlari misol bo‘ladi: Katta portlash hamda hodisalar gorizontiga ega qora tuynuklar).

Standart modeldan tashqaridagi nazariyalarga Standart modelning supersimmetriya orqali kengaytirilgan ko‘rinishlari, masalan, Minimal supersimmetrik standart model^[ingl.] va Minimal modeldan keyingi supersimmetrik standart model^[ingl.], shuningdek, mutlaqo yangi tushuntirishlar, jumladan, torlar nazariyasi, M-nazariya va qo‘shimcha o‘lchamlar kiradi. Bu nazariyalar, odatda, hozir kuzatilayotgan hodisalarga to‘liq mos kelgani yoki aniq bashorat beradigan darajagacha ishlab chiqilmagani sababli, ulardan qaysi biri to‘g‘ri (yoki hech bo‘lmaganda Hamma narsaning nazariyasiga olib boruvchi «eng yaxshi qadam») ekanini faqat tajribalar yordamida aniqlash mumkin. Hozirgi vaqtda bu yo‘nalish ham nazariy, ham eksperimental fizikadagi eng faol tadqiqot sohalaridan biridir.

• Yadro va zarrachalar fizikasidagi kashfiyotlar xronikasi, ushbu materialni fizika fakulteti (M. V. Lomonosov nomidagi Moskva davlat universiteti) xodimlari tayyorlagan.
• Scientific.ru saytidagi elementar zarrachalar fizikasi
• Elementar zarrachalarning to‘liq jadvali, Particle Data Group tomonidan tayyorlangan.
• Elementar zarrachalar fizikasi — dunyoda, Yadro fizikasi institutida va EZF kafedrasida