Částice mikrosvěta, jejich získávání a aplikace ve výzkumu a technologiích

1. Jaderná a radiační fyzika
1.0. Fyzika - fundamentální přírodní věda
1.1. Atomy a atomová jádra
1.2. Radioaktivita
1.3. Jaderné reakce
1.4. Radionuklidy
1.5. Elementární částice
1.6. Ionizující záření

1.5. Elementární částice a urychlovače

Při výkladu vlastností atomů v kap.1.1 jsme poznali, že ani atom, ba dokonce ani jeho jádro nejsou elementárními stavebními kameny hmoty, ale jsou složeny z ještě menších částic - elektronů, protonů, neutronů. Při studiu radioaktivity jsme poznali i některé další částice - pozitrony, neutrina. Jsou tyto subatomární částice již opravdu vnitřně "jednolité" - elementární a fundamentální? Nebo mají svou vnitřní strukturu, složenou z "ještě menších" částic? (podrobnější diskuse je níže v pasáži "Jsou elementární částice skutečně elementární?").
  V této kapitole se pokusíme o stručný, ale systematický výlet do pestrého a podivuhodného světa elementárních částic. Při výkladu budeme postupovat induktivním způsobem. Po úvodních pasážích o společných vlastnostech částic, jejich třídění a zákonitostech interakcí, budeme postupovat od základních, známých a hojně rozšířených částic a jejich jednoduchých vlastností (přímočaře plynoucích z experimentů), přes "exotičtější" částice a složitější mechanismy interakcí, až k unitárním symetriím a pokusům o vyjasnění vnitřní struktury částic. Zmíníme i hypotetické a modelové částice, z nichž některé nejsou dosud ani přímo objeveny, či jejich úloha v přírodě zatím není zcela pochopena.
  Nejdříve si nastíníme systematiku elementárních částic a pak si rozebereme vlastnosti a interakce jednotlivých konkrétních druhů částic, včetně vzniku částic při vysokoenergetických interakcích. A rovněž antičástic - jejich vznik a anihilace, jejich role v přírodě, možnosti využití. Zamyslíme se též nad tím, co mají jednotlivé částice společné a jak jsme pokročili na cestě k jednotnému pochopení fyziky částic a polí - k unitární teorii pole. Nakonec si popíšeme, jakým způsobem zkoumáme interakce částic při vysokých energiích na urychlovačích částic.
  Za vším tím množstvím získaných poznatků o elementárních částicích je skryto obrovské úsilí a kolosální objem práce tisíců fyziků, techniků a dělníků - konstruktérů složitých urychlovacích systémů a detekčních aparatur.
  Předtím si ale učiníme několik obecných poznámek a diskusí o částicích jako takových :
Terminologická poznámka - elementární? : 
Název "elementární" neboli "základní" by měl znamenat, že se jedná o objekt dále nedělitelný, bez vnitřní struktury; je to tedy nejjednodušší materiální objekt chovající se jako samostatná fyzikální entita. V průběhu přírodovědného poznání mikrosvěta se však několikrát ukázalo, že částice dříve považované za základní (elementární) mají vnitřní strukturu a skládají se z ještě "menších", základnějších či "elementárnějších" částic. Podle dřívějších názorů nedělitelný atom (odtud jeho název) má složitou strukturu elektronového obalu a atomového jádra. Protony a neutrony v atomových jádrech byly též považovány za nedělitelné, avšak novější výzkumy (ve standardním modelu částic) ukázaly, že se skládají z kvarků (stejně jako ostatní hadrony). Názory na "elementárnost" částic se tak mohou měnit v závislosti na aktuálním stavu fyzikálního poznání (podrobnější diskuse je níže v pasáži "Jsou elementární částice skutečně elementární?").
  Jelikož tedy mnohé částice jsou "složené", označení "elementární" zde může být zavádějící. Jedná se však o vžitý název, podobně jako název "atom", který již dávno neznamená "nedělitelný". V posledních letech se často slovo "elementární" vypouští a hovoří jen o "částicích".
Existují vůbec elementární částice ?  "Kuličkový" model.
Naše představa existence - že "něco existuje" - se odvíjí od naší každodenní zkušenosti s pozorováním makrosvěta okolní přírody. Existují např. kameny - můžeme je vidět, ohmatat, potěžkat, příp. nimi hodit. Existují různé druhy rostlin a živočichů se specifickým vzhledem a vlastnostmi. Existují buňky v organismech, které můžeme pozorovat v mikroskopu, včetně jejich vnitřní struktury (viz např. §5.2., část "Buňky - základní jednotky živých organismů") a studovat jejich biochemické projevy. V mikrosvětě subatomárních či dokonce subnukleárních rozměrů je to však složitější. Částice mikrosvěta rozhodně nemůžeme vidět ani sebesilnějším mikroskopem - jsou mnohem menší než vlnová délka viditelného světla. Ani tehdy, kdybykom se v myšlené sci-fi představě zmenšili na "pidimužíky" velikosti pikometru a pozorovali pomocí záření mnohem kratších vlnových délek, žádné lokalizované částice bychom neviděli. Kvantové relace neurčitosti "rozmazávají" stanovení rychlosti při přesném měření polohy a měření rychlosti částice zase rozmazává její polohu. Viděli bychom snad jen rozmazané chomáčky fluktuujících polí. Z tohoto obvyklého pohledu bychom mohli vyslovit "kacířské" tvrzení, že "elementární částice neexistují"!
  Při podrobnějším fyzikálním bádání však dospíváme k poznání, že existuje "něco" skrytého, co je nositelem fyzikálních sil, např. elektrického náboje, něco co přenáší prostorem energii, co způsobuje vzájemná působení - interakce - hmotných těles. V klasické fyzice to jsou fyzikální pole, v kvantové fyzice kvanta polí. To "něco" nazýváme elementární částice (slůvko "elementární" bylo diskutováno výše). Nedovedeme si to nijak konkrétně představit a proto si je modelově znázorňujeme jako malé kuličky - např. elektrony kreslíme jako červené, protony jako modré, neutrony jako šedé kuličky, neutrina jako třebas zelené; je to otázka konvence. Tyto kuličky, mající určitou hmotnost, náboj a další fyzikální charakteristiky, se podle obvyklých zákonitostí (relativistické) mechaniky prostorem pohybují určitou rychlostí a s ní související kinetickou energií. S určitou pravděpodobností (viz níže "Účinný průřez") se mohou "srážet" - interagovat - s jinými kuličkami (částicemi), přičemž z tohoto místa vylétají další kuličky - částice stejných nebo jiných vlastností. Během vlastního průběhu interakce se "kuličkový model" však použít nedá, probíhají tam často značně složité kvantově-polní procesy (viz níže "Feynmanovy diagramy"). Kuličkový model je velice úspěšný - v koprodukci s fyzikálními mechanismy elektromagnetických, silých a slabých interakcí dovede vysvětlit či znázornit prakticky všechny jevy s částicemi mikrosvěta v atomové, jaderné, radiační a částicové fyzice. Toto "kuličkové znázornění", příp. doplněné o vlnovou povahu, proto kreslíme ve většině obrázků našeho pojednání "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".
Kdo si objednal "exotické" částice? 
Pro pochopení stavby hmoty, která je kolem nás, vystačíme s několika málo shora zmíněnými částicemi (§1.1 a 1.2) - fotony, elektrony, protony, neutrony (popř. ještě neutriny, mesony, kvarky u a d). Přesto však při interakcích částic (ať již uměle vyvolaných, nebo v kosmickém záření) se setkáváme s mnoha dalšími částicemi, které - jak se aspoň zdá - nemají žádnou úlohu při stavbě hmoty. Nic z nich není složeno, nejsou schopny vytvořit vázané struktury, většinou se po svém vzniku okamžitě rozpadají. Vzniká metaforická otázka "kdo si je objednal?" - jaký mají smysl a úlohu ve fungování našeho světa? (poprve tuto otázku vyslovil I.I.Rabi v souvislosti s objevem mionu). Odpověď na tuto otázku se snaží najít unitární teorie pole a částicová fyzika v koprodukci s astrofyzikou a kosmologií. Unitární teorie pole se pokoušejí najít zákonitosti a mechanismy, které existenci těchto částic umožňují nebo implikují - jako kvanta excitovaných polí či geometrických struktur (§B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny." v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Astrofyzika a kosmologie ukazuje, že všechny tyto částice patrně kdysi ve vesmíru byly v nejranějších stádiích, svou úlohu při "uvaření" hmoty již sehrály a pak zanikly (viz např. §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír." zmíněné knihy); bez nich by vesmír nebyl takový jaký je, možná by vůbec nevznikla hmota..?.. Některé tyto částice snad tvoří zatím záhadnou "temnou hmotu" ve vesmíru (viz např.§5.6 "Budoucnost vesmíru. Šipka času."). A my se nyní pokoušíme tyto částice znova vytvořit a zkoumat, abychom pochopili raný vesmír a mohli určitěji odpovědět na otázky, jak vznikla hmota a jaké má vnitřní vlastnosti...

Nerozlišitelnost elementárních částic
Tělesa a částice v klasické mechanice při svém pohybu neztrácejí svou "individualitu", a to i tehdy, když se jedná o stejné částice se stejnými fyzikálními vlastnostmi (z makroskopického hlediska). Takové částice tvořící daný fyzikální systém můžeme v určitém počátečním čase "označkovat" či "očíslovat" a potom při sledování jejich pohybu můžeme, aspoň v principu, v každém časovém okamžiku identifikovat každou z částic v systému - částice jsou zde rozlišitelné.
  Při analýze pohybu a chování částic v kvantové mechanice je situace z tohoto hlediska úplně jiná. V důsledku korpuskulárně-vlnového dualismu a principu neurčitosti nemají částice, např. elektrony, žádné trajektorie ve smyslu klasické kinematiky. Stanovíme-li polohu částice v daném okamžiku, stává se neurčitou její hybnost; pak v dalších následujících okamžicích není možné stanovit žádné určité hodnoty souřadnic částice. Kdybychom se tedy v určitém okamžiku pokusili lokalizovat elektrony a pomyslně si je "očíslovat", pak v jiném časovém okamžiku při lokalizaci elektronu v určitém bodě prostoru již nemůžeme určit, který z uvažovaných elektronů se dostal do tohoto bodu. V kvantové mechanice není žádná možnost průběžně sledovat pohyb jednotlivých částic a tím je rozlišovat. Mikročástice se projevují jen svými interakcemi s jinými částicemi. Stejné částice tedy v kvantové mechanice zcela ztrácejí svou individualitu - jejich fyzikální vlastnosti jsou identické, jsou vzájemně nerozlišitelné.
Spin, symetrie vlnové funkce a statistické chování částic 
  Na tomto principu nerozlišitelnosti částic je založeno kvantově-mechanické chování souborů skládajících se ze stejného druhu částic. Jelikož částice jsou stejné a nerozlišitelné, musí být ekvivalentní i fyzikální stavy soustavy získané záměnou (přehozením, transpozicí) dvou částic "1" a "2"; z kvantového hlediska musí hustota pravděpodobnosti úyú² tohoto systému zůstat stejná při vzájemné záměně částic: úy("1","2")ú² = úy("2","1")ú², tj. buď y("1","2") = y("2","1"), nebo y("1","2") = -y("2","1") - vlnová funkce soustavy se může změnit jen o znaménko. Existují tedy dvě možnosti: 1.Vlnová funkce je buď symetrická a při libovolné permutaci částic se nemění; 2. Nebo, vlnová funkce systému je antisymetrická - při transpozici každé dvojice částic mění znaménko. Která z těchto možností se realizuje, závisí na druhu částic - souvisí to s jejich spinem (§1.1., pasáž "Spin"). Níže si podle tohoto kritéria částice rozdělíme na bosony se symetrickou vlnovou funkcí (celočíselný spin) a fermiony s antisymetrickou vlnovou funkcí (poločíselný spin) - pasáž "Fermiony-Bosony". Rozborem vlnových funkcí soustavy stejných částic lze ukázat, že v souboru identických fermionů se v tomtéž kvantovém stavu nemohou nacházet dvě částice (nebo více částic) - platí tzv. Pauliho vylučovací princip. Zatímco v souboru bosonů se v tomtéž kvantovém stavu může nacházet neomezený počet částic.
  Analýza vztahu mezi spinem částic a jejich statistickým chováním v souboru částic se rozpadá na tři dílčí problémy :
1. Vztah mezi spinem a symetrií vlnové funkce 
Spin je vnitřní moment hybnosti částic, analogický rotačnímu momentu hybnosti při rotaci částice kolem své osy (ale nedá se takto kvantitativně vysvětlit!), spíše souvisí se symetriemi vzhledem k prostorové rotaci (v rámci kvantové mechaniky je spin popsán v §1.1., pasáž "Spin"). Z hlediska kvantové teorie pole (druhotné kvantování) se spin pole interpretuje jako míra symetrie v rovinné vlně příslušného pole: dané pole má spin s (spinové číslo s), jestliže jeho rovinná vlna je invariantní vůči pootočení o úhel 2p/s kolem směru šíření. Spin částice tedy udává rotační symetrii vlnové funkce vůči rotaci v prostoru. Pro částice s celočíselným spinem, nejčastěji s=1, jsou vlnové funkce invariantní vůči pootočení o úhel 360^o ; vlnové funkce jsou symetrické vůči transpozici. ..., částice se chovaji jako bosony. Pro částice s poločíselným spinem 1/2 jsou vlnové funkce antisymetrické. ....... ......, částice se chovají jako fermiony.
Pozn.: Toto je jen letmý heuristický nástin vztahu mezi spinem částice a symetrií vlnové funkce. Při podrobnějším odvození se používá analýza pomocí relativistické kvantové teorie pole.
2. Vztah mezi symetrií vlnové funkce a obsazováním kvantových stavů 
Uvažujme dvě stejné částice a, b s vlnovými funkcemi y(....... y(........ ......; vlnová funkce pro soustavu složenou z těchto dvou částic pak bude Y(....... = ..... Pokud jsou funkce y(....... y(.... antisymetrické vzhledem k transpozici částic y(....... = - y(...., bude výsledná vlnová funkce Y(...... dvojice částic nacházejících se ve stejném kvantovém stavu rovna nule - pravděpodobnost je zde nulová. Dvě částice s antisymetrickou vlnovou funkcí se tedy nemohou nacházet v témže kvantovém stavu, platí pro ně tzv. Pauliho vylučovací princip.. Pro částice se symetrickou vlnovou funkcí vůči transpozici, budou všechny kombinace stavových funkcí mít pozitivní znaménka, takže výsledná vlnová funkce Y bude též kladná a nenulová - libovolný počet částic tohoto druhu může být v tomtéž kvantovém stavu.
3. Vlastní statistické chování souborů částic 
Pod statistickým chováním (zkráceně "statistikou") částic zde rozumíme průměrné rozdělení (distribuci) jejich stavů - podle rychlostí, kinetických energií - ve velkém souboru těchto částic. Touto analýzou se zabývá speciální obor statistická fyzika, v praxi většinou v součinnosti s termodynamikou. V nejjednodušším případě dostatečně velkého souboru neinteragujících částic v termodynamické rovnováze, chovajících se podle zákonů klasické (nekvantové) fyziky, analýza metodami statistické mechaniky ukazuje, že průměrný (očekávaný) počet částic <N(E)> s energií E je dán tzv. Maxwell-Boltzmannovým rozdělením <N(E)> = 1 / e^-E/kB^.T, kde T je absolutní teplota [^oK] a k_B je Boltzmannova konstanta (udávající přepočetní koeficient mezi průměrnou kinetickou energií částic v plynu a termodynamickou teplotou plynu k_B=1.380649×10^-23 J/^oK).
  V případě shora zmíněných kvantových vlastností (bod 2.) bude rozdělovací funkce N(E) záviset na obsazovacích pravidlech kvantových stavů. V kvantové statistické fyzice se distribuční funkce podle obsazovacích možností kvantových stavů částic upřesňuje na tvar :
          <N(E)>  =  1 / (e^-E/kB.T ± 1)   ,
kde ve jmenovateli kladné znaménko "+" platí pro fermiony - Fermi-Diracovo statistické rozdělení a zápozné znaménko "-" pro bosony - Bose-Einsteinovo rozdělení.
Pozn.: V termodynamice plynů tvořených atomy či molekulami s určitým chemickým složením se ve jmenovateli distribučních funkcí vyskytuje ještě tzv. chemický potenciál m : e^-(E-m)/kB^.T, vyjadřující energetické změny při chemických reakcích, které mohou nastávat při srážkách atomů. U elementárních částic by analogie této situace mohla vzniknout, pokud by částice měly dostatečnou kinetickou energii pro interakce s transmutacemi a tvorbou nových částic.
  Ve Fermi-Diracově rozdělení částic splňujících Pauliho vylučovací princip se vyskytují i situace, kdy některým různým stavům odpovídá stejná energie - dochází k tzv. degeneraci energetických hladin. V čitateli rozdělovacího zákona místo "1" je pak faktor degenerace g, který udává počet různých stavů odpovídajících určité stejné energetické úrovni: <N(E)> = g / (e^-E/kB^.T + 1). Degenerace energetických hladin vzniká především v důsledku nějakých druhů symetrií v daném systému, jako je pohyb v centrálně symetrickém poli .
  Důležitou vlastností Fermi-Diracova rozdělení částic v souboru fermionů je možnost vzniku tzv. degenerované hmoty či degenerovaného plynu. V souboru neinteragujících fermionů - ideální Fermiho plyn - mohou částice uzavřené v konečném objemu nabývat pouze diskrétní hodnoty energií (kvantové stavy). Pauliho vylučovací princip přitom zabraňuje identickým fermionům obsadit stejné kvantové stavy. Při vysokých hustotách látky jsou všechny energetické hladiny fermionů obsazeny až do určité maximální energie, které odpovídá určitá maximální hybnost; tomuto stavu se říká degenerace, jedná se o degenerovaný fermionový plyn. Každý další fermion v daném objemu musí zaujmout novou vyšší energetickou hladinu a mít tím i vyšší hybnost. Tlak zde proto roste podstatně rychleji než odpovídá stavové rovnici ideálního plynu.
  Statistické chování chování elektronů, protonů a neutronů podle Fermi-Diracova rozdělení, se vznikem degenerace, má velký význam ve stelární astrofyzice, kde spoluurčuje rovnovážný stav hvězd proti působení gravitace, porušení této rovnováhy a kolaps hvězdy na bílého trpaslíka a neutronovou hvězdu (§4.1 "Úloha gravitace při vzniku a evoluci hvězd" a §4.2 "Konečné fáze hvězdné evoluce. Gravitační kolaps. Vznik černé díry." v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").
  Nastíněnou analýzu vztahů mezi spinem, symetrií vlnových funkcí a statistickým chováním souborů částic, můžeme shrnout do výsledného teorému :

Fyzikální parametry částic; kvantová čísla
Vlastnosti elementárních částic se charakterizují vhodnými fyzikálními parametry, z nichž některé jsou známé i z klasické fyziky, jiné jsou čistě kvantové a nemají klasickou analogii. Těmto parametrům elementárních částic, které jsou většinou kvantovány, tj. nabývají diskrétních hodnot, se říká kvantová čísla.
¨ Klidová hmotnost, doba života
Jsou to základní nekvantované charakteristiky částic. Klidová hmotnost částic se vyjadřuje jen zřídka v gramech, ale nejčastěji v energetických jednotkách elektronvoltech eV, keV, MeV *) - v souvislosti s Einsteinovým vztahem E = m.c² ekvivalence hmotnosti a energie. Někdy se udává i v násobcích hmotnosti elektronu. Doba života, resp. poločas rozpadu částic se vyjadřuje v sekundách a jejich dekadických zlomcích (10^-xx sec.); u stabilních částic se považuje za Ą.
*) Přesněji řečeno, energetické vyjádření hmotnosti je v MeV/c², avšak c² se často vynechává.
¨ Velikost, rozměry a tvar elementárních částic ? - problematické !
V běžném životě i ve fyzice makroskopických jevů má velký význam prostorová velikost těles, jejich tvar a jednotlivé rozměry. V mikrosvětě je toto však problematické. U částic mikrosvěta totiž v důsledku vlnové povahy a kvantových relací neučitosti pojem prostorové "velikosti" ztrácí význam - nelze jej definovat a změřit. Tyto částice nejsou nějaká drobná "materiální tělíska" s pevným povrchem, jak je známe z našich běžných zkušeností z makrosvěta, ale spíše prostorově rozprostřené "zhuštěniny polí" vlnové povahy. Nemají žádné určité hranice. Lze u nich definovat pouze jakousi "efektivní velikost" částice při interakcích - pomocí dosahu působících sil a tzv. účinného průřezu (viz níže část "Interakce elementárních částic", pasáž "Účinný průřez interakcí částic"). Z rozptylových experimentů při ostřelování částic - při zjišťování jak "blízko k sobě" částice pronikly. Taková "efektivní velikost" však pro danou částici může být pokaždé jiná při různých druzích interakcí. Tyto potíže s velikostí částic se obcházejí fyzikální dohodou, že elementární částice mikrosvěta se v zásadě budou považovat za bodové s nulovou velikostí, přičemž při interakcích se uvažují účinné průžezy...
Fyzikální snahy o určení velikosti elementárních částic 
V počátcích zkoumání mikrosvěta se atomoví a jaderní fyzikové usilovně snažili stanovit velikost ("poloměr") nově objevených částic - elektronu a protonu. U elektronu s hmotností m_e a elementárním nábojem e se při analýze z různých hledisek dospělo ke třem velmi odlišným hodnotám:
-  Klasický (nekvantový) neboli Thomsonův poloměr elektronu vychází z modelu, že elektron je koule, na jejímž povrchu je rovnoměrně rozložen elektrický náboj o hodnotě e. Za poloměr elektronu r_e se bere takový poloměr koule, aby elektrostatická potenciální energie tohoto náboje odpovídala klidové hmotnosti elektronu m_e podle relativistického vztahu ekvivalence hmoty a energie E = m_ec². Vychází: r_e = e²/4pe_om_ec² = 2,818.10^-13cm. Je to takový poloměr, aby veškerá klidová hmotnost elektronu m_e měla elektrický původ (byla tvořena elektostatickou potenciální energií). Tento přístup je analyzován i v §1.6, pasáži "Nelineární elektrodynamika" monografie "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu".
-  Bohrův poloměr elektronu vychází ze skutečnosti, že naprostá většina elektronů je vázána v atomech, takže velikost elektronu by by bylo přirozené odvodit z rozměrů atomu. Podle Bohrova kvantového modelu (§1.1, část "Bohrův model atomu") má nejnižší (základní, neexcitovaná) orbita elektronu v atomu vodíku poloměr r₁ = 4pe_oh/m_ee² = 0,529.10^-8cm. Tato hodnota se zde považuje za poloměr elektronu r_e.
-  Comptonova vlnová délka elektronu je nejmenší vzdálenost, na kterou lze podle kvantových relací neurčitosti omezit ("stlačit") elektron: l_c ~ h/m_ec » 10^-9cm. Pokud se elektron pokusíme stlačit do menší velikosti, pak podle principu neurčitosti se jeho hybnost stane natolik velkou, že jeho kinetická energie převýší klidovou energii elektronu m_ec². V takovém případě bude dostačující energie na vytvoření nového elektron-pozitronového páru. Comptonova délka je tedy nejmenší vzdálenost, na kterou k sobě dva elektrony mohou proniknout, aniž dojde ke vzniku nových částic...
  Z nynějšího pohledu mají tyto hodnoty již jen modelový a historický význam a za "skutečné" rozměry elektronu se nepovažují. Pro elektrony se nakonec žádná věrohodná hodnota "velikosti" nepodařila určit, čím vyšší kinetická energie, tím hlouběji se při interakci vzájemně přiblížují - jako by byly bodové s nulovou velikostí (<10^-16 cm)..?.. Podobné se to předpokládá u ostatních leptonů *). Z hlediska korpuskulárně-vlnového dualismu by efektivní velikost elektronu, jeho "vlnová délka", závisela na jeho rychlosti (§1.1, pasáž "Částicově-vlnový dualismus").
*) U neutrin, které vykazují pouze slabou interakci, se efektivní "velikost" předpokládá podstatně nižší než u elektronů, cca 10^-16cm. Žádná přímá měření zde nejsou uskutečnitelná.
  U protonů a neutronů byla jejich efektivní "velikost" pro silné interakce stanovena na cca 1,6.10^-13cm, podle změřeného dosahu těchto jaderných sil (viz §1.1, pasáž "Silná jaderná interakce"), jakožto "zbytkového" projevu silné interakce mezi kvarky uvnitř protonů a neutronů. Podobně pro ostatní hadrony (piony, kaony, hyperony). Pro elektromagnetickou interakci se "velikost" protonu měří pomocí rozptylu urychlených elektronů. Další metodou je vodíková spektrometrie: přesné měření energetických hladin (rozdílu v energiích mezi ²S_1/2 a ²S_1/2 orbitaly - hyperjemná struktura způsobená Lambovým posunem v důsledku kvantových fluktuací virtuálních elektron-pozitronových párů v elektrickém poli protonu); touto metodou se dospělo k hodnotě 0,88.10^-13cm. Tato měření byla modifikována v novém experimentu, kde atomy vodíku byly vystaveny svazku nízkoenergetických mionů, přičemž některé miony se zachytily a nahradily ve vodíkovém atomu elektrony. Takový mion díky své vyšší hmotnosti (je cca 200-krát těžší než elektron) obíhá podstatně blíže protonu, takže rozdíly v energetických hladinách jsou "citlivější" na strukturu protonu. Zde se dospělo k poněkud nižší hodnotě poloměru protonu 0,84.10^-13cm. Protony, jakož i ostatní hadrony, nejsou "elementární" částice, ale jsou složeny z kvarků, takže k jejich struktuře a "velikosti" má co říci tzv. kvantová chromodynamika (viz níže "Uvězněné kvarky"), na fundamentální úrovni pak unitární teorie pole ("Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny." v monografii "Gravitace, řerné díry a fyzika prostoročasu").
  U fotonů, jakožto kvant elektromagnetického vlnění, je jejich efektivní "velikost" odvislá od vlnové délky záření. Fotony záření gama mají efektivní rozměry jen pikometry, fotony viditelného světla stovky nanometrů, u radiovln bychom si mohli představit i mnohametrové rozměry "fotonů" - zde se však fotony vůbec nedají prokázat...
¨ Elektrický náboj
Mimořádně důležitým parametrem částic je jejich elektrický náboj, který je kvantován a proto se, místo v coulombech, vyjadřuje v násobcích velikosti elementárního náboje elektronu |e| s uvedením znaménka *) - elektron má pak náboj -1, proton +1, hyperon W náboj -2, neutron a další nenabité částice samozřejmě 0. Antičástice k nabitým částicím mají náboje opačného znaménka (a stejné absolutní velikosti). Ve všech známých interakcích je striktně splněn zákon zachování elektrického náboje: součet nábojů částic před interakcí je stejný jako součet nábojů částic vylétajících po interakci.
*) Níže se setkáme i s nábojem ¹/₃e či ²/₃e u kvarků.
¨ Spin, magnetický moment
Další důležitou kvantovou charakteristikou částic je jejich spin neboli spinové číslo s, vyjadřující vlastní moment hybnosti částice v násobcích Planckovy konstanty h. Kromě nulového spinu (vyskytujícího se u mezonů p a K) je nejmenším možným spinem hodnota s=1/2 (takový spin mají elektrony, protony, neutrony, neutrina, miony). Spin s=1 mají fotony, s=3/2 těžké hyperony W, spin s=2 gravitony. Se spinem korpuskulárních částic úzce souvisí jejich magnetický moment, udávaný v násobcích elementárního Bohrova magnetonu e.h/4pm_e, popř. jaderného magnetonu e.h/4pm_p (podrobněji je diskutováno v §1.1, pasáž "Kvantový moment hybnosti, spin, magnetický moment"). Spinové číslo částic dále určuje kvantově-mechanické statistické chování v souborech částic - viz níže "Bosony" a "Fermiony".
Pozn.: Spin - rotace ?
Spin částic se podle klasické mechaniky obvykle interpetuje jako jejich rotační moment hybnosti. Tato vlastnost elementárních částic však má specificky kvantovou povahu a nelze ji uspokojivě vysvětlit pomocí klasických mechanických představ (spin nelze kvantitativně vysvětlit např. rotací částice kolem vlastní osy!).
¨ Parita
je kvantové číslo, charakterizující chování vlnové funkce kvantově-mechanického objektu - jádra či elementární částice - vzhledem k prostorovému zrcadlovému odrazu, tj. transformaci souřadnic x®-x, y®-y, z®-z, t®t. Pokud se přitom vlnová funkce popisující stav částice nezmění, je parita kladná: P=1, či "+". Pokud při této transformaci vlnová funkce systému změní znaménko, je parita záporná: P= -1, neboli "-". Dá se ukázat, že parita systému s orbitálním momentem hybnosti l je (-1)^l. Analýza interakcí elementárních částic ukazuje, že parita protonu a neutronu je kladná, zatímco parita fotonů a mesonů p^+,-,o je záporná. Parita se někdy uvádí jako index vpravo nahoře u kvantového čísla momentu hybnosti soustavy, třebas jádra, J^P: buď J⁺ nebo J^-. U elementárních částic pak jako index u spinového čísla: s^P - např. 0^-, (1/2)⁺ a pod.
  Parita P celkově není příliš důležitým kvantovým číslem. Svůj teoretický význam má však parita v souvislosti s vlastnostmi symetrie a zákony zachování při interakcích částic - viz níže pasáž "CPT symetrie interakcí" v části "Čtyři typy interakcí". Parita se zachovává při silných a elektromagnetických interakcích, avšak při slabých interakcích se nezachovává (diskusi a experimentální ověření viz níže "CPT symetrie interakcí"; z nezachování parity vychází hypotéza tzv. zrcadlové hmoty, diskutovaná níže v části "Hypotetické a modelové částice", pasáž "Stínová zrcadlová hmota - Katoptrony?").
¨ Leptonové a baryonové číslo
Za účelem třídění elementárních částic se částicím přiřazuje leptonové číslo L, které pro leptony je L = ±1 (podle toho, zda se jedná o částici nebo antičástici), pro ostatní částice L=0, a baryonové číslo B, které pro baryony je B = ±1 (opět "+" pro částice, "-" pro antičástice) a pro jiné částice než baryony je B=0. Leptonové a baryonové číslo se zachovává prakticky při všech druzích interakcí *) - součet leptonů a baryonů (s respektováním znamének) před interakcí a po interakci je stejný.
*) Jediná výjimka se vyskytuje u gravitační interakce s účastí černých děr: při pohlcení částic pod horizont černé díry se ztrácejí všechny jejich individuální charakteristiky kromě hmotnosti, elektrického náboje a orbitálního momentu hybnosti ("černá díra nemá vlasy"); částice jako by se "rozpustila" v sumárním gravitačním poli černé díry - viz §4.5 "Teorém "černá díra nemá vlasy"" v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu". Leptonové a baryonové číslo se nezachovává ani při kvantové evaporaci černé díry - §4.7 "Kvantové vyzařování a termodynamika černých děr" v téže monografii.
¨ Další kvantová čísla izospin, podivnost a hypernáboj budou zavedena níže v souvislosti s mezony K, hyperony a s unitárními symetriemi elementárních částic - viz pasáž "Unitární symetrie a multiplety částic".

Intermediální a virtuální částice
Podle představ kvantové teorie pole probíhá vzájemné silové působení dvou částic tak, že si tyto částice vzájemně vyměňují (vysílají a přijímají) tzv. intermediální částice, jež jsou kvanty příslušného pole. Každá částice podléhající interakci je obklopena "oblakem" příslušných intermediálních částic, které mimo akt interakce zůstávají virtuální.
  K vysvětlení mechanismů interakcí a vzájemných přeměn elementárních částic se používají nejen pozorované "reálné" částice vstupující do interakcí nebo vyzařované jako důsledek interakce, ale často též určité "pomocné" částice, zprostředkovávající určité etapy interakce, které přímo pozorovány nejsou. Takovéto virtuální částice *) "existují" pouze po velmi krátkou dobu, která je kratší než čas nutný pro změření jejich energie podle relací neurčitosti. V úloze virtuálních částic mohou sloužit běžně známé a prokázané částice, např. fotony, často se však používají i částice zatím neznámé a neprokázané - modelové a hypotetické částice (jsou zmíněny níže). Virtuální částice nemohou být přímo detekovány, ale mohou se projevovat v reálných měřitelných jevech, neboť interagují s reálnými částicemi a poli; takové skryté interakce mohou vyvolat např. spontánní emisi skutečných částic či anomálie v závislosti účinných průřezů interakcí na energii. Interakce pomocí intermediálních částic se znázorňují pomocí tzv. Feynmanových diagramů.
*) Virtuální = myšlený, zdánlivý, neskutečný, potenciální, fyzicky nepřítomný. Původně pochází z lat. virtus = muž, mužnost, ctnost, prošlo však výraznou etymologickou proměnou.

"Teplota" částic ?
V nauce o teple - kinetická teorie tepla, termika, termodynamika - teplota úzce souvisí s rychlostí či energií částic. Teplota běžného látkového prostředí je dána rychlostí kmitavého či chaotického pohybu částic z nichž je látka složena - atomů a molekul. Střední kvadratická rychlost v_k² pohybu částic souvisí s termodynamickou teplotou T[^oK] vztahem
            ¹/₂ m_o v_k² = ³/₂ k_B.T   ,
kde k_B=1,38.10^-23J.K^-1 je Boltzmannova konstanta a m_o je klidová hmotnost částic látky (v nejjednodušším případě ideálního jednoatomového plynu). Tedy teplota je úměrná střední kinetické energii částic E_k= (1/2).m_o v_k² .
  Tato kinetická koncepce teploty se z látkového prostředí zobecňuje i na prostředí složená z jiných částic než jsou molekuly a atomy - na fyzikální soubory různých mikročástic a jejich vázaných kombinací *). Kinetická energie částic E_k se zde pak měří v elektronvoltech [eV] a Boltzmannova konstanta má hodnotu k_B=8,617.10^-5 eV.K^-1 (nositelem kinetické energie v ionizované látce a souborech částic jsou většinou elektrony). V zásadě tedy můžeme energetický stav souborů částic ekvivalentně měřit buď střední kinetickou energií E_k částic v [elektronvoltech], nebo termodynamickou teplotou T ve [stupních Kelvina].
*) Bylo by jistě zavádějící tvrdit že "částice má teplotu xxx °K"; částice žádnou veličinu "teplota" nemají. Přesnější je formulace "daný soubor částic má termodynamickou teplotu xxx °K". Teplotu v takových souborech částic již samozřejmě nelze měřit běžným teploměrem vloženým do systému (s dosažením teplotní rovnováhy), nýbrž na základě radiačního vyzařování nebo přímo měřením energií částic pomocí detektorů.
  Pokojové teplotě T=cca300^oK odpovídá kinetická energie elektronů E_k=zhruba 26 milielektronvoltů. Vysokoteplotní plasma potřebná pro účinnou termonukleární fúzi deuteria a tritia se musí ohřát na teplotu cca 150 milonů stupňů (lhostejno zda Kelvina či Celsia), což představuje kinetickou energii částic cca 12 keV (viz §1.3, část "Slučování atomových jader"). A u kvark-gluonové plasmy se na kratičký okamžik dosahuje obrovské termodynamické teploty vyšší než 10¹² stupňů ( viz níže pasáž "Kvark-gluonová plasma - "5.skupenství hmoty""), kinetická energie částic dosahuje řádově TeV.

Třídění elementárních částic
Elementární částice se třídí a rozdělují do skupin podle svých význačných vlastností, vyjádřených fyzikálními parametry a kvantovými čísly. Nejzákladnější charakteristikou každého předmětu *), a tedy i elementární částice, je její hmotnost - přesněji řečeno hmotnost klidová m_o.
Podle speciální teorie relativity totiž aktuální hmotnost m (setrvačná hmotnost, charakterizující podle 2.Newtonova zákona F = m.a odpor tělesa vůči zrychlování) závisí na rychlosti pohybu tělesa v: m = m_o/Ö(1-v²/c²), kde m_o je klidová hmotnost, stanovená v inerciální vztažné soustavě, v níž je těleso v klidu. Výsledná hmotnost m je tím větší, čím rychleji se částice pohybuje; pro v®c roste nade všechny meze. Proto žádná částice, jejíž klidová hmotnost je nenulová, se nemůže pohybovat rychlostí světla. Celková energie částice (součet klidové a kinetické energie) je podle speciální teorie relativity rovna E = (m_o/Ö(1-v²/c²)).c² = m.c² - Einsteinova rovnice vyjadřující rovnocennost hmotnosti a energie.
*) Další základní charakteristika objektů v makrosvětě - prostorová velikost (rozměry, objem), nemá u elementárních částic žádný význam! V důsledku korpuskulárně-vlnového dualismu a principu neurčitosti nelze částicím v mikrosvětě přiřadit žádnou určitou velikost (podrobněji bylo diskutováno výše v pasáži "Velikost, rozměry a tvar elementárních částic ? - problematické !"). V modelových představách však můžeme uvažovat o jakýchsi "efektivních" velikostech částic, daných vlastnostmi interakce těchto částic (např. proton má z hlediska silné interakce rozměr »1,6.10^-13cm). Z těchto představ vychází i tzv. účinný průřez interakce částic (viz níže).
Podle klidové hmotnosti rozdělujeme částice na čtyři skupiny :

• Částice s nulovou klidovou hmotností
  V atomové a jaderné fyzice jsou to především kvanta elektromagnetického záření - fotony, v subnukleární fyzice i modelové částice gluony zprostředkovávající silnou interakci. V obecné teorii relativity a kvantové gravitaci pak příp. ještě kvanta gravitačního vlnění - gravitony (gravitační vlny jsou v astronomii prokázány jen nepřímo, první přímá detekce se podařila teprve zcela nedávno - viz "První přímá detekce gravitační vlny zařízením LIGO ! "; na experimentální prokázání gravitonů není naděje v dohledné budoucnosti). Z hlediska kvantové teorie pole částice s nulovou klidovou hmotností zprostředkovávají - jako výměnné intermediální částice - interakce dlouhého (neomezeného) dosahu (fotony elektromagnetickou, gravitony gravitační interakci, gluony silnou interakci mezi kvarky).
  Pozn.: Může se zdát paradoxní mluvit o "klidové hmotnosti" u částic, které principiálně nikdy nemohou být v klidu. Ve speciální teorii relativity je však klidová hmotnost částice definována jako invariantní velikost (4-rozměrná délka, nezávisející na vztažné soustavě) 4-vektoru hybnosti částice - viz vztah (1.101´) v §1.6 "Čtyřrozměrný prostoročas a speciální teorie relativity" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu". Fotony mají nulovou klidovou hmotnost, avšak jejich setrvačná (relativistická) hmotnost závisí na frekvenci: m = h.n/c². Při zabrzdění odevzdá foton veškerou svou energii a zanikne, na rozdíl od částice s nenulovou klidovou hmotností, která odevzdá jen svou kinetickou energii a po zabrzdění i nadále existuje se svou klidovou hmotností.
    
• Leptony - lehké částice s malou klidovou hmotností (řec. leptos = tenký, jemný, slabý, útlý, hubený *)
  Sem náleží především elektrony e^- a pozitrony e⁺ s klidovou hmotností m_e = 9,1.10^-28g = 511 keV (v jaderné fyzice bývá zvykem hmotnost vyjadřovat v souvislosti se vztahem E = m.c² v energetických jednotkách elektronvoltech). Dále jsou to neutrina (elektronové n_e, mionové n_m, tauonové n_t) a antineutrina s klidovou hmotností cca 2 eV.
    Do kategorie leptonů se dnes zařazuje i mion m^- (označovaný jako "těžký elektron"), který má hmotnost »206m_e a dokonce i tauon t^- s hmotností »3484m_e, označovaný jako "supertěžký elektron"; a samozřejmě jejich nábojově sdružené antičástice.
  *) Původní označení leptony, jakožto lehké částice, dnes již ztrácí svůj původní doslovný význam, vzhledem k zařazení mionů a tauonů. Úloha leptonů jako základních stavebních částic hmoty, spolu s kvarky, bude nastíněna níže v pasáži "Standardní model elementárních částic". Podle tohoto standardního modelu leptony (spolu se svými antičásticemi) tvoří tzv. generace. První generaci tvoří elektron s elektronovým neutrinem. Do druhé generace patří mion se svým mionovým neutrinem, do 3.generace tauon s tauonovým neutrinem. Předpokládá se, že další generace, tvořené ještě těžšími analogy elektronu, neexistují. Analogické 3 generace se rozlišují u kvarků.
    Leptony podle dosavadních poznatků nemají vnitřní strukturu, standardní model je považuje za bodové částice (jiný přístup se uvažuje v teorii superstrun). Všechny leptony podléhají slabé interakci, nabité pak i interakci elektromagnetické.
    
• Baryony - těžké částice (řec. baryos = těžký)
  Sem patří především proton p⁺ s hmotností m_p = 1836m_e = 938 MeV/c² a neutron n^o s o něco větší hmotností m_n = 1838m_e (a samozřejmě jejich antičástice). Protony a neutrony se souhrnně označují jako nukleony - stavební částice atomového jádra. Mezi baryony pak patří ještě těžší částice - hyperony. Ty vznikají při srážkách částic vysokých energií a velmi rychle se rozpadají - jejich doba života je řádově »10^-10sekundy. Známe hyperony L^o (hmotnost 2183m_e), S^+,-,o (hmotnost »2330m_e), X^o,- (hmotnost »2580m_e), W^- (hmotnost »3273m_e).
    Jedinými stabilními baryony jsou protony (zatím zde pomíjíme hypotézu rozpadu protonu), ve vazbě s protony v atomových jádrech též neutrony. Ostatní jsou nestabilní, rozpadají se na nukleony a piony. Baryony jsou "vybaveny" všemi druhy interakcí - silnou, slabou, elektromagnetickou (pokud jsou el. nabité) - a samozřejmě gravitační, kterou zde neuvažujeme. Z hlediska interakce patří mezi hadrony.
    
• Mezony - středně těžké částice (řec. mesos = střední, mezi něčím - jejich hmotnost leží mezi elektronem a protonem)
  Nejlehčí z nich je mezon m^- (mion *) s hmotností m_m = 206m_e, dále kladný mezon p⁺ a záporný p^- s hmotností 273 m_e, neutrální pion p^o s hmotností 264m_e. Nakonec jsou to K-mezony K^+,- (hmotnost 966m_e) a K^o (hmotnost 974m_e).
  *) Upozornění: Miony m jsme zde sice podle jejich hmotnosti zařadili mezi mezony, avšak podle vlastností svých interakcí a struktury jsou nyní zařazovány mezi leptony! Vznikají při procesech s účastí slabé interakce, jsou nestabilní a rozpadají se na elektrony a neutrina (viz níže).
    Mezony p a K vznikají při procesech s účastí silné interakce a jsou nestabilní - rozpadají se slabou interakcí na miony a neutrina (K-mezony i silnou interakcí na piony); způsoby rozpadu a doby života jsou uvedeny níže. Podobně jako baryony, i mezony p a K jsou hadrony, interagující obecně všemi 4 druhy interakcí.

Původ klidových hmotností částic
Výše zmíněné diametrálně odlišné klidové hmotnosti různých druhů částic byly dříve čistě empirickou záležitostí. Nyní se je standardní částicový model pokouší vysvětlovat v zásadě dvěma mechanismy :
1. U základních, elementárních bezstrukturních částic - fotonů, leptonů, kvarků, intermediálních bosonů - jejich hmotnost závisí na hodnotách vazbových konstant interakce příslušných polí s všudypřítomným Higgsovým-Kibbleovým skalárním polem (jehož kvanty jsou Higgsovy bosony). Pro fermiony se tako interakce nazývá též Yukawova vazba (modeluje se Yukawovým potenciálem s exponenciální závislostí). Můžeme si to zjednodušeně představit tak, že částice při svém pohybu s sebou "táhne" i určitou část energie-hybnosti Higgsova pole (podle velikosti vazbové konstanty), čímž se efektivně jeví hmotnější (podle 2.Newtonova zákona), klade větší silový odpor vůči urychlování, při stejné rychlosti nese vyšší kinetickou energii.
  Fotony a gluony neinteragují s Higgsovým polem vůbec, mají proto nulovou klidovou hmotnost. "Obyčejné" elektrony s Higgsovým polem interagují jen poměrně slabě (vazbová konstanta g ~ 3.10^-6), mají klidovou hmotnost 511keV. Jim příbuzné leptony, miony ("těžké elektrony") interagují silněji (vazbová konstanta ~ 6.10^-4) a mají klidovou hmotnost 200-x větší, 105,6MeV. A tauony ("supertěžké elektrony") interagují s Higgsovým polem velmi silně (vazbová konstanta ~ 1.10^-2) a mají proto klidovou hmotnost 1777 MeV, více než 3000-x větší než elektrony! Kvarky "d" s vazbovou konstantou ~ 2,6.10^-5 mají hmotnosti 4,6MeV, kvarky "s" s vazbovou konstantou ~ 5.10^-4 mají hmotnosti 94,6MeV, kvarky "b" s vazbovou konstantou ~ 5.10^-2 mají hmotnost 4,3GeV. Zvláště silnou interakci s Higgsovým polem mají bosony W^+,-, Z⁰ způsobující slabou interakci (vazbová konstanta g ~ 1), což vede k jejich vysokým hmotnostem 80-90 GeV a velmi krátkému dosahu slabé interakce.
Pozn.: I tento přístup zůstává v zásadě fenomenologický: empiricky změřené hmotnosti M částic se jen transformují na hodnoty vazbové konstanty g s Higgsovým polem podle jednoduchého vzorce M = g .V_v/2^1/2, kde V_v je "očekávaná" hodnota potenciálu Higgsova vakua V_v = (2^1/2. G_F)^-1/2 ~ 246 GeV (G_F je redukovaná Fermiho konstanta slabé interakce). Standardní model zatím nedokáže předpovědět konkrétní hodnoty hmotností či vazebných konstant.
  Higgsův mechanismus se často dává do souvislosti s poněkud málo intuitivní koncepcí "spontánního narušení symetrie" - je podrobněji diskutováno v §B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravirace. Superstruny.", pasáž "Symetrie ve fyzice a jejich narušení" knihy "Gravitace černé díry a fyzika prostoročasu".
2. U "složených" částic, hadronů - protony, neutrony, hyperony, piony, kaony, ... - tvoří klidová hmotnost jejich stavebních složek - kvarků - jen malou část celkové hmotnosti, kolem 1 %. Většina hmotnosti hadronů pochází z kinetické energie vnitřního pohybu jeho kvarkových komponent. Např. proton má hmotnost 938MeV, zatímco klidová hmotnost kvarku "u" je jen 2MeV a kvarku "d" 5MeV.

Spektrum klidových hmotností částic - je omezené či nekonečné ?
Klidové hmotnosti různých druhů částic jsou velmi rozdílné, jejich hodnoty tvoří široké "spektrum". Od fotonů s nulovou či neutrin s nepatrnou klidovou hmotností, přes lehké elektrony (cca 0,5MeV), mezony (kolem 140-500MeV), až po těžké baryony s klidovými hmotnostmi 1-1,7GeV. Nejtěžšími známými částicemi jsou bosony W^+,-,Z^o slabých interakcí o hmotnostech kolem 80-90GeV a Higgsovy bosony s klidovou hmotností cca 120GeV. Vzniká otázka, zda zde spektrum hmotností již končí, nebo existují ještě těžší částice? V 60. a 70. letech se diskutovala tzv. Hagedornova hypotéza o existenci nekonečného množství částic o stále vyšších hmotnostech, které by se mohly postupně objevovat, jak by se konstruovaly stále výkonnější urychlovače. Současná částicová fyzika je k tomu spíš skeptická, mohlo by se příp. jednat jen o excitované stavy kvark-gluonových kombinací..?.. - rozhodnout mohou jen budoucí experimenty.

Podle způsobu interakce mezi elementárními částicemi se vyčleňuje zvláštní skupina :

• Hadrony - částice vykazující silnou jadernou interakci (řec. hadros = silný, těžký, tlustý, robustní)
  Sem náleží protony, neutrony, mezony p a K, hyperony. Původ silné (jaderné) interakce se klade do modelových subnukleárních částic kvarků (viz níže). Hadrony jsou tedy částice s kvarkovou strukturou - baryony jsou složeny ze tří kvarků, mezony ze dvou. Hadrony nejsou tedy v pravém slova smyslu "elementární", avšak jejich přímé rozložení na kvarky je značně problematické - viz níže část "Kvarková struktura hadronů".
  Pozn.: Název "hadron" poprve zavedl L.B.Okun z Fyzikálního institutu v Moskvě v r.1962.

Podle doby života můžeme elementární částice dělit na :

• Stabilní částice s nekonečně dlouhou dobou života.
  Sem patří elektron e^-, pozitron e⁺, foton, proton p⁺ *), neutrina n (pomineme-li jev oscilace neutrin, který nelze považovat za rozpad).
  *) Podle některých tzv. grandunifikačních teorií by proton nemusel být zcela stabilní částicí, ale měl by se rozpadat s poločasem T_1/2>»10³³let. Tato myšlenka je do značné míry spekulativní, neboť za dosavadní existenci vesmíru se možná nestačil rozpadnout ani jeden proton..?. Pouze v případě otevřeného vesmíru s nekonečnou dobou evoluce by rozpad protonů snad mohl v časových měřítcích »10¹⁰⁰let přispět k tzv. tepelné smrti vesmíru (viz např.§5.6 "Budoucnost vesmíru. Šipka času." v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu")....
    
• Částice s dlouhou dobou života.
  Sem patří neutron n^o, který, pokud je volný (mimo atomové jádro), se rozpadá b^--přeměnou: n^o ® p⁺ + e^- + n_e´ s poločasem T_1/2@13 minut. S určitými výhradami zde můžeme zařadit i mion m^- s dobou života 2.10^-6sec (rozpadá se na elektron a neutrina: m^- ® e^- + n_e´+ n_m).
    
• Částice s krátkou dobou života.
  To jsou všechny ostatní reálné částice, které na krátký okamžik vznikají při interakcích částic o vysokých energiích a vzápětí se rozpadají, jejich doba života se pohybuje v rozmezí cca 10^-8-10^-20 sec. Můžeme některé vyjmenovat: mezony p⁺ a p^- s dobou života 2,6.10^-8sec, p^o (»10^-16sec), K⁺ (1,2.10^-8sec), K^o (»10^-10sec), hyperony L^o (2,5.10^-10sec), S⁺ (8.10^-11sec), S^- (1,5.10^-10sec), S^o (»10^-20sec), skupina hyperonů X^o,- a W^- s dobami života řádu 10^-10sec.
    
• Částice s ultrakrátkou dobou života - tzv. rezonance
  Vznikají při některých interakcích vysokoenergetických částic (jako je p^+,- + p⁺ ® p^+,- + p⁺, nebo interakce protonu s antiprotonem za vzniku několika p-mezonů) a okamžitě se rozpadají, jejich doba života činí asi 10^-23 až 10^-20 sekundy. Projevují se vlasně jen výrazným rezonančním maximem v energetické závislosti účinného průřezu dané interakce, nebo zhuštěninami a píky na Dalitzově diagramu energií sekundárních částic (viz níže pasáž "Analýza dynamiky interakcí částic"). Rozeznáváme baryonové rezonance a mezonové rezonance (jako je mezon r nebo některé druhy mezonů K*). Rezonance se mnohdy ani za zvláštní částice nepovažují, označují se jako kvazičástice. Jsou to spíše jen dočasně excitované stavy dvou či více baryonů nebo mezonů, které se rozpadají okamžitě, jakmile vyletí za hranice oblasti silné jaderné interakce, v níž vznikly. Vzhledem k extrémně krátké době života nemají patrně žádný význam pro stavbu a vlastnosti hmoty. Jejich studium je však důležité pro lepší proniknutí do subnukleární struktury hadronů, jejich kvarkové struktury a pochopení vlastností silných interakcí v rámci kvantové chromodynamiky (QCD).

Fermiony - Bosony
V pasáži "Nerozlišitelnost částic" - "Spin, symetrie vlnové funkce a statistické chování částic" jsme si ukázali, jak spin částic určuje statistické chování souborů částic.
Podle spinu, a v důsledku toho i podle kvantově-mechanického statistického chování v souborech částic, se tedy elementární částice dělí na dvě velké skupiny :

• Fermiony - částice s "poločíselným" spinem s = ±(1/2)h, ±(3/2)h, ....
  Jsou to především všechny stavební částice látky: proton, neutron, elektron. Z leptonů jsou to dále miony a všechny druhy neutrin. Z baryonů pak dále hyperony. Všechny vyjmenované fermiony mají spin 1/2, kromě hyperonu W který má spin 3/2.
    V kvantové mechanice se ukazuje, že soubory částic s poločíselným spinem se řídí tzv. Fermi-Diracovou statistikou, pro niž je charakteristické, že dvě či více částic nemohou být ve stejném kvantovém stavu (Pauliho vylučovací princip, jsou to "nesnášenlivé" částice) - v daném kvantovém stavu může být jej jeden fermion. Proto jednotlivé elektrony v atomovém obalu zaujímají a obsazují různé kvantové stavy a takto vzniklé elektronové konfigurace hladin atomového obalu jsou příčinou veškeré různorodosti chemického slučování prvků i jejich dalších vlastností *). A podobným způsobem i v atomovém jádře nukleony obsazují různé energetické hladiny v poli silných interakcí. Lze říci, že fermionům, které jsou schopny tvořit různorodé struktrury, vděčíme za rozmanitost přírody..!..
  *) Kdyby všechny elektrony mohly obsadit stejný (nejnižší) kvantový stav, měly by atomy všech prvků stejné vlastnosti a náš svět by byl velmi fádní. Naštěstí však elektrony díky své "nesnášenlivosti" postupně obsazují různé hladiny v atomovém obalu a různé prvky tím mají různé vlastnosti a schopnosti slučování, dané počtem elektronů připadajících na vnější (valenční) vrstvu.
  Fermionový plyn 
  Pauliho vylučovací princip pro fermiony má dále významné důsledky pro chování souboru volných fermionů, tzv. "fermionového plynu". Při silném stlačování takového "plynu" obsadí fermiony všechny nižší možné energetické stavy, takže takový plyn se pak velmi silně "brání" dalšímu stlačování - vyšší stavy jsou spojeny s velkou hybností a tedy vysokým tlakem. A každý další fermion, který se dostane dovnitř takto stlačené hmoty, nemůže při srážkách s ostatními fermiony měnit svůj stav, neboť všechny okolní kvantové stavy jsou již obsazeny a žádný další fermion se tam nemůže dostat; takový fermion se pak pohybuje jalko volný, okolní prostředí nemůže měnit jeho hybnost. Látka v takovém stavu se všemi obsazenými kvantovými stavy se nazývá degenerovaný fermionový plyn a hraje velkou úlohu v konečných stádiích evoluce hvězd - bílých trpaslících a neutronových hvězdách (podrobněji je rozebíráno v §4.2 "Konečné fáze hvězdné evoluce. Gravitační kolaps" monografie "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").
    
• Bosony - částice s "celočíselným" spinem s = 0, ±1h, ±2h, ....
  Sem patří především kvanta polí, přenášející síly, jimiž na sebe částice působí. Označují se též jako intermediální částice zprostředkující jednotlivé interakce. Bosony se spinem s=0 se označují jako skalární, se spinem s=1 jako vektorové (označení "skalární" a "vektorové" souvisí s matematickým formalismem jejich teoretického popisu v kvantové fyzice).
  Nejdůležitějším bosonem je foton (spin 1), dále p-mezony (spin 0), bosony W^-, W⁺, Z^o (spin 0), gluony (spin 1), hypotetické gravitony (spin 2).
    Bosony se neřídí Pauliho vylučovacím principem. Soubory částic s celočíselným spinem se z kvantově-mechanického hlediska řídí tzv. Bose-Einsteinovou statistikou, v níž (na rozdíl od fermionů) se v každém kvantovém stavu může nacházet neomezený počet částic ("snášenlivé" částice). Počet bosonů se v přírodě nezachovává. Když např. rozsvítíme žárovku, okolní prostor zaplaví miliardy nově vzniklých fotonů. A naopak, spousta stávajících fotonů je absorbována ve hmotě - zanikají při interakcích s atomy a molekulami látky.
  Při nízkých teplotách systému má každý boson snahu zaujmout nejnižší energetický stav - vzniká tzv. bosonový kondenzát, který má supratekuté a příp. supravodivé (v případě elektricky nabitých částic) vlastnosti.

Fermiony v úloze bosonů; Supravodivost
Za určitých okolností se i soubor fermionů, např. elektronů, může efektivně chovat jako bosony. Snižujeme-li teplotu vodivé látky, obsahující volné elektrony ve formě "elektronového plynu", dochází při teplotách kolem cca 4°K ke spojování elektronů do dvojic - tzv. Cooperových párů, v nichž se poločíselné spiny elektronů opačného směru sčítají na spiny nulové (singletní spárování), tj. celočíselné. Vazbu mezi elektrony Cooperova páru zprostředkuje jejich interakce s kmitající krystalovou mřížkou. Takové dvojice se pak již chovají jako bosony, které při nízké teplotě mají tendenci zaujmout nejnižší energetický stav (Pauliho vylučovací princip jim to nezakazuje, protože pro bosony neplatí). Vzniká tzv. bosonový kondenzát v základním energetickém stavu, v němž se spárované elektrony pohybují krystalovou mřížkou zcela volně bez odporu - vzniká elektrická supravodivost.
Supravodivost 
  Supravodivost je tedy kvantově-elektrický jev, při němž materiál neklade průchodu elektrického proudu žádný ohmický odpor a v materiálu se neuvolňuje žádné teplo. Objevil jej v r.1911 holandský fyzik H.K.Onnes, který na přístroji vlastní konstrukce zkapalnil hélium a v dalších experimentech měřil elektrický odpor kovů při nízkých teplotách. S klesající teplotou měrný odpor kovů obecně klesá (s pomaleji kmitajícími atomy krystalové mřížky se elektrony méně často srážejí, snadněji procházejí). Extrapolací tohoto mírného téměř lineárního poklesu odporu s teplotou k absolutní nule lze očekávat určitou malou zbytkovou hodnotu odporu *).
*) Z klasického pohledu by se dala očekávat i opačná situace: elektrony při zastavení svých tepelných pohybů by se mohly spojit s ionty krystalové mřížky, "zamrznout" a přestat se pohybovat - z vodiče by se stal izolátor, který elektrický proud nepropouští.
  Když Onnes prováděl měření teplotní závislosti odporu na vzorku vysoce čisté rtuti, s překvapením zjistil náhlý spád odporu rtuti na nulu (neměřiteně malou hodnotu) při teplotách kolem 4,2 °K. Supravodivost byla pak zjištěna u olova, cínu a řady dalších materiálů a slitin. Mikroskopickou teorii nízkoteplotní supravodivosti vypracovali v r.1957 J.Bardeen, L.Cooper a J.R.Schriffer (BCS teorie) - podle ní vazba mezi elektrony a kmity krystalové mřížky (fonony) může efektivně vést k přitažlivé interakci mezi dvojicemi elektronů: elektron při svém průchodu krystalovou mřížkou vytváří kladnou "díru", kterou je přitahován druhý elektron. Touto dynamickou vazbou se vytvářejí efektivně vázané Cooperovy páry dvou elektronů, které vytvářejí bosonový kondenzát s vysokým stupněm korelovaného uspořádání elektronů. Teplota, při které látka přechází z normálního do supravodivého stavu, se nazývá kritická teplota. Intenzívní výzkum supravodivosti objevil řadu materiálů s touto vlastností, které lze rozdělit do dvou skupin:
- Supravodiče I.typu jsou některé kovy, dosahující supravodivosti za nízkých teplot (kritická teplota nižší než 30°K) a ztrácející supravodivé vlastnosti v silnějších magnetických polích (Meissnerův-Ochsenfeldův jev). Tuto supravodivost vysvětluje BCS teorie.
- Supravodiče II.typu jsou některé slitiny kovů (především mědi) a nekovových příměsí (oxidů keramické povahy), které dosahují supravodivosti i při vyšších kritických teplotách a zachovávají si tuto vlastnost i v silných magnetických polích. Zvláště zajímavé materiály tohoto druhu jsou kompozitní sloučeniny ytria, barya, mědi a kyslíku Y₁Ba₂Cu₃O₇, nebo analogicky lanthanu. Zde nastává supravodivost při kritické teplotě 90-100 °K - vysokoteplotní supravodivost, což umožňuje použít ke chlazení kapalný dusík. Úplná mikroskopická teorie vysokoteplotní supravodivosti dosud nebyla vytvořena, avšak dosavadní výzkumy ukazují na mechanismus vázání elektronů do Cooperových párů pomocí elektron-spinových interakcí elektronů s excitacemi spinů (anti)feromagnetických struktur v krystalové mřížce, která má "šupinkovou" strukturu.

Vlevo: Supravodivý elektromagnet je tvořen cívkou, navinutou ze supravodivého materiálu, umístěnou v kryostatu s kapalným héliem (zkratující bifilární vedení slouží k zapínání a vypínání proudu v silných perzistentních elektromagnetech - viz "Elektromagnety v urychlovačích"). Vpravo: Závislost ohmického odporu supravodivého materiálu Nb-Ti na teplotě (pro 1m drátu o0,3mm).

Supravodivost již nyní nachází významné uplatnění v řadě oblastí vědy, techniky, medicíny. Jsou to především supravodivé elektromagnety: cívka svinutá do velkého počtu závitů z vhodného supravodivého materiálu se umístí do Dewarovy nádoby s chladicím médiem (zatím převážně kapalné hélium), vzbudí se v ní silný proud (stovky i tisíce ampér) a oba její konce se spojí. Proud potom protéká neomezenou dobu bez spotřeby elektrické energie a budí silné magnetické pole - jednotky až desítky Tesla - viz níže "Elektromagnety v urychlovačích", pasáž "Supravodivé elektromagnety". Podmínkou funkce je samozřejmě trvalé chlazení na teplotu nižší než kritickou *). Takové supravodivé elektromagnety se s výhodou používají v řadě oblastí - nukleární magnetická rezonance, kruhové urychlovače, termonukleární tokamaky.
*) Toto trvalé chlazení supravodivé cívky je potřeba pečlivě hlídat! Pokud by vlivem odpařování hladina chladicího média poklesla natolik, že část vinutí by se oteplila nad kritickou teplotu, supravodivost by náhle zanikla. V tomto místě vinutí by vznikl ohmický odpor, proud vinutím by rychle klesal a magnetické pole zanikalo. To by mělo za následek elektromagnetickou indukci velké elektromotorické síly ve vinutí. Značná energie uložená v magnetickém poli by se rychle přeměnila na indukovaný proud vinutím, které by se ohmickým odporem silně zahřálo, zbytek chladicího média by se uvedl do bouřlivého varu a vinutí by se mohlo spálit!
   Teplotní přechod z normálního do supravodivého stavu v okolí kritické teploty Tc je velmi prudký - na křivce závislosti odporu na teplotě je v tomto místě téměř kolmá přechodová hrana supravodivosti. Tohoto jevu se využívá ve velmi citlivých bolometrech pracujících na hraně supravodivosti TES (Transition Edge Sensor) - §2.5, pasáž "Mikrokalorimetrické detektory".
   Pokud by se podařilo uskutečnit opravdu vysokoteplotní supravodivost - vyvinout materiály, které by byly supravodivé i za pokojové teploty, vedlo by to patrně k revoluci v elektronice slabo- i silnoproudé. Supravodivými dráty by bylo možné vést elektrickou energii beze ztrát, bez nutnosti transformace na vysoké napětí. Do supravodivých elektromagnetů by bylo možno ukládat-akumulovat elektrickou energii. V průmyslových aplikacích se pracuje na supravodivé levitaci, při níž interakce indukovaných vířivých proudů vede ke vzniku síly, díky níž se magnet může vznášet nad supravodičem, nebo "viset" v magnetickém poli. Uvažuje se především o magnetickém závěsu místo ložisek a o využití v magneticky levitujících rychlovlacích.
Supratekutost 
  Podobně atomy, složené z fermionů, se mohou efektivně chovat jako bosony, pokud jejich celkový spin je celočíselný (resp. nulový), popř. když dochází k singletnímu či tripletnímu spárování atomů s poločíselným spinem na výsledný spin celočíselný (0 nebo 1). I zde pak při nízkých teplotách může vzniknout bosonový kondenzát, jehož částice (či kvazičástice) se mohou v prostředí pohybovat zcela volně bez třecího odporu. Na tomto principu je založena supratekutost některých zkapalněných plynů (především hélia) za nízkých teplot. Za zajímavost stojí, že hélium nemá pevnou fázi, zůstává kapalné až prakticky do absolutní nuly. Pod teplotou 2,17°K se stává supratekutým - teče bez vnitřního a povrchového tření a má velmi vysokou tepelnou vodivost.

V souvislosti s určitými "podivnými" nesymetriemi při produkci a rozpadu některých částic (viz níže) se rozlišuje zvláštní skupina:

• Podivné částice (Strange particles) - sem náleží mesony K a hyperony.
  V rámci kvarkového modelu je nositelem podivnosti kvark "s" (strange). Vlastnosti těchto částic budou rozebírány v příslušných pasážích níže.

Antičástice, antihmota, "antisvěty"
Ve světě elementárních částic obecně ke každé částici existuje její "opačný" či "sdružený" partner - antičástice, která má určité fyzikální charakteristiky shodné s danou elementární částicí, ale některé jiné fyzikální charakteristiky mají opačné znaménko či směr. Antičástice má s částicí stejnou hmotnost, spinové číslo, dobu života a izospin, avšak její náboj a magnetický moment jsou opačné (stejné co do velikosti, ale opačného znaménka); opačné znaménko se připisuje i leptonovmu číslu, baryonovému číslu a projekci izospinu. Jedná-li se o neutrální částice bez elektromagnetických vlastností, mohou být sdruženy buď samy k sobě (foton, p^o, graviton), takže vlastně nemají antičástice, nebo mohou mít částice a antičástice od sebe odlišné (např. neutron, neutrina). V případě fermionů vznikají částice a antičástice v párech a rovněž v párech zanikají.
   V naší přírodě (složené z hmoty) se antihmota, resp. antičástice, vyskytují tam, kde dochází k interakcím částic při vysokých energiích - vyšších než dvojnásobek klidové hmotnosti elektronu či pozitronu 2x511=1,022MeV; tehdy vznikají pozitrony. Pozitrony jsou emitovány i při radioaktivitě beta⁺ (viz §1.2, část "Radioaktivita b⁺"), kde vznikají při transmutaci kvarků "u"-->"d" uvnitř protonů v důsledku slabé iterakce (obr.1.2.5 dole). Těžší antičástice (antiprotony, antineutrony, hyperony) pak mohou vznikat až při značně vysokých energiích, 3 GeV a vyšších. To je doména velkých urychlovačů (v nepatrné intenzitě i kosmického záření).
Poznámka 1 - Antisvět
Na řadě míst našeho pojednání o jaderné a radiační fyzice používáme termín "antisvět" - v alegorickém významu. Antičástice vznikající při interakcích a radioaktivitě v laboratořích jsou samozřejmě součástí "našeho" světa. O "antisvětech" se někdy uvažuje v astronomii jako o těch (hypotetických) útvarech nebo částech vesmíru, které jsou složeny z antihmoty (srov. též níže pasáž "Antiatomy"). Složitou otázkou je, proč pozorujeme antičástic nesrovnatelně méně, než částic, které jsou pro nás "normální a běžné"? Pokouší se na to odpovědět kosmologické teorie v koprodukci s částicovou fyzikou - viz níže odkaz v poznámce k pasáži "Antiatomy, Antisvěty".
Poznámka 2 - Antičástice => Záporná energie? Inverze času? - Ne !
V počátcích vývoje kvantové fyziky se antičástice (jako je pozitron) považovaly za částice se "zápornou energií", nebo částice pohybující se "zpět v čase" (formální transformace souřadnic v Diracově rovnici to umožňují). Tyto koncepce sehrály svého času důležitou heuristickou roli v rozvoji částicové fyziky. Nyní jsou tyto zavádějící představy již opuštěné a částice i antičástice mají "rovnoprávné" místo ve standardním modelu, v aplikacích, jakož i v unitarizačních schématech.
Diracovské a Majoranovské částice 
Podle vztahu ke svým antičásticím se elementární částice někdy rozdělují na dvě skupiny :
¨ Diracovské částice
mají odlišné antičástice. Patří sem především všechny elektricky nabité částice, ale i některé neutrální částice jako je neutron nebo neutrální K-mezon.
¨ Majoranovské částice
mají shodné částice a antičástice. Vedle fotonu sem patří neutrální p-mezony (pion p^o); některé hypotézy uvažují i o neutrinech, není to zatím rozhodnuto.
  Některé význačné antičástice mají svůj vlastní název či označení - antičástice k elektronu e^- se nazývá pozitron e⁺, nábojově sdružené antičástice se označují opačnými znaménky nábojů, např. miony m^-, m⁺, analogicky piony p^-, p⁺ a další částice. Řada antičástic se však označuje prostě předponou "anti" a vlnovkou "~" nad symbolem částice *)- např. antiproton p´, antineutron n´.
*) Ve fontech dostupných formátu "html" však bohužel znaky s vlnovkou nahoře nejsou k dispozici, takže v našich textech označujeme antičástice čárkou ( ´ ) vpravo nahoře.
 Anihilace antičástic s částicemi
Při interakci antičástic se svými odpovídajícími "protějšky", částicemi, mohou tyto dvojice navzájem zaniknout *) - anihilovat - za vzniku jiných (lehčích) částic či antičástic. Často to bývají fotony (pozitrony anihilují s elektrony za vzniku dvou fotonů gama vylétajících v protilehlých směrech, pod úklem 180o, což se s výhodou využívá v gamagrafickém zobrazení metodou pozitronové emisní tomografie v nukleární medicíně po aplikaci pozitronového beta⁺-radionuklidu, např. ¹⁸F - §4.3, část "Pozitronová emisní tomografie PET"). Jsou přitom splněny zákony zachování energie a kvantových čísel (opačná kvantová čísla se "vynulují"). Dochází k úplné přeměně klidové hmotnosti (+kinetické energie) na energie jiných částic a polí, přičemž původní částice zanikají. Konkrétní procesy anihilace budou popsány níže pro jednotlivé druhy částic.
*) Anihilace částic neznamená jejich zničení, ani přeměnu hmoty v "čistou energii" ! 
O procesu anihilace antičástic s částicemi se dosud tradují některé téměř mystické představy. Pocházejí z doby, kdy se tyto procesy teprve objevovaly a připadaly fyzikům natolik neobvyklé, že jim přisuzovali zvláštní filosofický význam. Nyní víme dvě vzájemně související skutečnosti :
× Při anihilaci částic, navzdory názvu (lat. nihil=nic; anihilace=zničení, zmizení), nedochází k jejich zničení, zániku či zmizení z tohoto světa "beze stopy", ale k jejich přeměně na jiné částice mikrosvěta, při splnění všech obvyklých zákonů zachování (energie, hybnosti, náboje a dalších kvantových charakteristik). Nic se přitom neztratilo ani nezískalo.
× Anihilace není přeměna hmoty na energii, či látky na "čistou energii", jak se někdy uvádí. Při anihilaci (jako ostatně při každém známém přírodním procesu) je splněn zákon zachování energie - ovšem celkové, relativisticky chápané energie, včetně klidové energie částic. Jde tedy jen o přeměnu jedné formy hmoty na jinou formu.
  Ostatně, přeměna "částic hmoty" na pole (s kvanty nulové klidové hmotnosti) nastává u obvyklých částic jen při anihilaci elektronu s pozitronem. Antiprotony či antineutrony "anihilují" za vzniku jiných masívních částic (pionů - viz níže), takže o "přeměně hmoty v čistou energii" nelze vůbec mluvit..!..
Největší anihilace v historii našeho vesmíru 
se odehrála na počátku jeho evoluce před více než 13 milardami let, v době cca 10^-4s. po velkém třesku, na přechodu mezi hadronovou a leptonovou érou, kdy vzájemně zanihilovaly baryony a antibaryony a vzápětí na konci leptonové éry (cca 10s.), kdy zanihilovaly pozitrony s elektrony. Výsledkem bylo záření (pozorované nyní jako reliktní) a zůstal malý přebytek hmoty (1:10⁹) z baryonové asymetrie. Tyto grandiózní události jsou podrobněji rozebírány v §5.4 "Standardní kosmologický model. Velký třesk.", pasáž "Baryonová asymetrie vesmíru" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu" (viz též níže pasáž "Proč je náš svět z hmoty a ne z antihmoty?").
 "Antiatomy", "antisvěty"
Antičástice mají vzhledem k sobě úplně stejné vlastnosti *) svých interakcí jako částice, takže kolem antiprotonu může obíhat pozitron a vytvořit tak atom "antivodíku". Podobně mohou antiprotony a antineutrony vytvářet atomová "antijádra", kolem nichž mohou obíhat pozitrony ve slupkách o stejných energiích a podle stejných výběrových pravidel jak to známe z naší atomové fyziky. Takovéto "antiatomy" pak budou mít úplně stejné chemické i spektroskopické vlastnosti jako atomy naší hmoty - budou vytvářet prvky či sloučeniny antihmoty se stejnými vlastnostmi jaké známe u naší hmoty.
*) Je antihmota úplně stejná jako hmota ?
Hmota a antihmota se nám v prakticky všech experimentech jeví jako stejná - až na opačná znaménka el. nábojů a některých dalších kvantových čísel má stejné vlastnosti. Přesto však se antihmota od hmoty jemně liší v chování - asymetrické produkci a rozpadech některých "exotických" částic a antičástic (bylo experimentálně zjištěno především u K a B mesonů). Tato skrytá rozdílnost mezi hmotou a antihmotou, generovaná v nejranějších fázích oddělování základních interakcí při vzniku vesmíru, mohla nakonec spolupůsobit v hadronové éře ke vzniku baryonové asymetrie ( §5.4 "Standardní kosmologický model. Velký třesk.", pasáž "Baryonová asymetrie vesmíru" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Proto je zde jen hmota a jsme zde i my..!?..
  Vzniká přirozeně otázka, zda se někde ve vesmíru nachází tato antihmota? Aby mohla dlouhodobě existovat, musí se antihmota nacházet odděleně od hmoty, jinak by docházelo k masívní anihilaci. Otázka tedy zní: jsou někde "antisvěty"? Pomocí běžných spektrometrických metod to na dálku nepoznáme - světlo z "antihvězd" či "antigalaxií" by vzhledem k identickým vlastnostem "antiatomů" mělo úplně stejná spektra jaká známe u hvězd a galaxií. Jsou však dvě přesvědčivé indicie, podle nichž se v nám dostupné části vesmíru žádná volná antihmota nevyskytuje :
1. V primárním kosmickém záření ze vzdáleného vesmíru se vyskytují pouze protony, nikoli antiprotony (nepatrný podíl cca 10^-4 antiprotonů pozorovaný v kosmickém záření jsou antiprotony sekundární; vznikají při interakcích protonů vysokých energií s mezihvězdným prostředím - s částicemi i fotony reliktního záření; podobně pozitrony). V kosmickém záření nebyla dosud zaznamenána žádná složitější "antijádra" (složená z antiprotonů a antineutronů) hélia či těžších prvků *). Taková "antijádra" by přitom musela být ve velkém množství emitována do vesmíru při každém výbuchu případné "antihvězdy" jako supernovy, v (anti)hvězdném větru, jakož i ve výtryscích z akrečních disků antihmoty kolem černých děr. Kdyby kosmické záření obsahovalo větší množství antiprotonů či složitějších "antijader", mohli bychom je považovat za jakési "vyslance" z antihvězd a antigalaxií. Ve skutečnosti jich však pozorujeme jen velmi málo, právě tolik, kolik jich průběžně vzniká interakcemi běžných vysokoenergetických protonů kosmického záření s obyčejnou hmotou.
*) Případná detekce složitějších "antijader" by byla pádným důkazem existence velkého množství antihmoty - "antihvězd", "antigalaxií" - někde ve vesmíru. Taková složitější "antijádra" totiž nemohou vznikat sekundárně žádnými vysokoenergetickými interakcemi částic, ale mohly by mít svůj původ jedině v primárním vzniku ve velkém množství antihmoty - v termonukleární syntéze antičástic v "antihvězdách". Jsou proto plánovány družicové "detektory antihmoty", jako je AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), které by byly schopny zaznamenat "antihélium" (anti-alfa částice).
2. Pokud by některé hvězdy, galaxie nebo oblaka plynů byly z antihmoty, na rozhraní hmoty a antihmoty by docházelo k intenzívní anihilaci za vzniku tvrdého záření g o energii 511keV. Žádná měření zatím takové anihilační záření nezaznamenala.
  Ve vesmíru se tedy buď žádné znatelné množství antihmoty nevyskytuje, nebo se "antisvěty" nacházejí v tak velkých vzdálenostech od nás => záření je nesmírně slabé, takže je nejsme schopni našimi přístroji registrovat.
Proč je náš svět z hmoty a ne z antihmoty ? (nebo proč není jenom ze záření?) 
Zajímavá je otázka, proč dnes pozorujeme ve vesmíru téměř výhradně "obyčejnou" hmotu a téměř žádnou antihmotu? Či dokonce proč je zde vůbec nějaká hmota a ne jenom záření? Pro odpověď na tyto otázky bychom se museli vydat až k samotným počátkům vesmíru. Podle současných fyzikálníchch představ by na počátku vesmíru mělo původně vzniknout stejné množství hmoty a antihmoty. Veškeré experimenty jaderné fyziky totiž ukazují, že při všech částicových interakcích dochází vždy ke sdružené produkci částic a antičástic, v poměru 1:1.
  Vlivem určitých specifických jevů - narušení symetrie interakcí v počátečních okamžicích evoluce vesmíru - množství hmoty nepatrně převážilo nad antihmotou (cca 1:10⁹), došlo k mírné baryonové asymetrii vesmíru. Víceméně náhodná kvantová fluktuace způsobila vítězství hmoty nad antihmotou v našem velmi raném vesmíru. V hypotetických jiných vesmírech tomu mohlo být opačně, kvantová fluktuace ve vhodný okamžik nastala na druhou stranu a takový vesmír by byl z antihmoty...
        
  Tento nepatrný přebytek 1:10⁹ způsobil, že pro další vývoj vesmíru tato hmota zůstala *), zatímco všechna ostatní hmota a antihmota vzájemně zanihilovala již během hadronové a leptonové éry a nakonec se přeměnila na záření (nyní pozorované jako reliktní záření). Kdyby nedošlo k baryonové asymetrii v počátcích vesmíru, veškeré částice by vzájemně zanihilovaly a vesmír by sestával pouze ze záření (v takovém fádním vesmíru by nemohly vzniknout hvězdy, planety, život...). Otázky antihmoty a baryonové symetrie či asymetrie vesmíru jsou z astrofyzikálního hlediska diskutovány v §5.4 "Standardní kosmologický model. Velký třesk.", pasáž "Baryonová asymetrie vesmíru" a §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír." knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu".
*) Terminologie hmota-antihmota je relativní. To, co zůstalo a z čeho je náš okolní svět, jsme prostě nazvali hmota - "obyčejná" hmota, zvaná někdy též koino-hmota (řec. koinos = obvyklý, obyčejný. )A hypotetická látka složená z opačných částic je pro nás antihmotou. V myšleném vesmíru, kde by baryonová asymetrie převládla na opačnou stranu, by tamní obyvatelé měli terminologii opačnou, pro ně by běžná hmota bylo to, co my nazýváme antihmotou...
 Kombinované soustavy částice-antičástice
Výsledkem interakcí antičástic s částicemi jsou procesy anihilace, avšak tato anihilace nemusí nastat okamžitě. Pokud mají částice a antičástice opačná znaménka elektrického náboje (+ a -), mohou po dostatečném zpomalení těsně před anihilací vytvořit vázanou soustavu částice-antičástice. Nejznámější vázanou soustavou tohoto druhu je pozitronium - vázaná soustava elektronu a pozitronu, které podle modelové představy obíhají kolem společného těžiště za vyrovnání odstředivé síly oběhu a elektrické přitažlivé síly (viz níže "Interakce nejdůležitějších elementárních částic", pasáž "Pozitronium"). Podobně antiproton může být zachycen na oběžnou dráhu kolem atomového jádra a nahratit tak elektron - vzniká antiprotonový atom. Nejjednodušší antiprotonový atom je protonium, které vzniká jako vázaná soustava protonu a antiprotonu obíhajících kolem společného těžiště. Pozitronium i protonium je nestabilní, během krátké doby (závisející m.j. i na spinových orientacích) nakonec dojde k anihilaci antičástice s částicí. Pozitronium a antiprotonium tedy nemají obecnou důležitost (kromě speciálních případů a aplikací).
  Důležité jsou však vázané kombinace pozitronů a antiprotonů (+ příp. i antineutronů), vytvářející antiatomy. Jedině to může být reálná antihmota... Z hlediska jaderné fyziky jsou pak důležité vlastnosti těchto antiatomů. Především spektrometrické vlastnosti (stručně zmíněné v pasáži "Umělá výroba antihmoty. Antivodík.") a též gravitační vlastnosti :
Antihmota: gravituje nebo antigravituje ?
Nejobtížnější je měření gravitačních vlastností antihmoty. Víme sice, že částice a antičástice mají stejnou (klidovou) hmotnost, zbývá však ověřit, zda antivodík "padá" v gravitaci úplně stejně jako vodík? Pro běžnou hmotu složenou z atomů tvořených elektrony, protony a neutrony, platí Newtonův zákon všeobecné gravitace ("Newtonův gravitační zákon"). V obecné teorii relativity - fyzice gravitace a zakřiveného prostororočasu - platí velmi přesně ověřený princip ekvivalence ("Univerzálnost - základní vlastnost a klíč k pochopení podstaty gravitace") jehož důsledkem je, že působení gravitace nezáleží na složení a struktuře hmoty. Gravitační interakce mezi hmotou a antihmotou by měla být identická. Objekt z antihmoty tak bude v gravitačným poli Země padat se stejným zrychlením jako těleso z hmoty (zde na povrchu Země bude jeho pád probíhat se známou hodnotou gravitačního zrychlení 9,81 m/s²).
  Logicky z toho usuzujeme, že to platí i pro jednotlivé elementární částice - běžné (elektrony, protony, neutrony), a pravděpodobně i pro exotické (neutrina, mesony, hyperony, ...). Přímé experimentální ověření gravitačních vlastností u jednotlivých izolovaných částic je však prakticky nemožné, neboť tyto částice se pohybují vysokými rychlostmi a vykazují elektromagnetické (a příp. silné) interakce s okolím, podstatně silnější než gravitační - to naprosto "přebije" nepatrnou gravitační sílu. Obecně však lze říci, že běžná (koino)hmota gravituje, vykazuje univerzální přitažlivé síly.
  Jak je tomu ale u antičástic (pozitrony, antiprotony, antineutrony), z nich složených "antiatomů" a obecně u antihmoty? Z experimentů na urychlovačích víme, že částice a antičástice mají stejnou setrvačnou hmotnost. Bude však antihmota gravitovat nebo antigravitovat? - působí mezi hmotou a antihmotou přitažlivá nebo odpudivá gravitace? Některé nepodložené hypotézy, jakož i názory laiků vsugerované názvem "anti-", však zastávají názor o antigravitaci antihmoty.
  Z rozboru pravděpodobností krátkodobé existence virtuálních elektron-pozitronových, proton-antiprotonových a jiných dvojic částic ("polarizace vakua") plyne, že výsledky Eötvösových, Dickeho a Braginského měření potvrzují platnost principu ekvivalence pro běžné antičástice (jako je pozitron a antiproton) s přesností ~ 10^-5 až 10^-6. Rozhodně tedy u antihmoty nelze očekávat "antigravitaci" - žádné "padání nahoru"! Antihmota bude normálně gravitovat (jen síla této gravitační interakce by teoreticky mohla být zlehka odlišná - stručná diskuse je v §2.2, část "Princip ekvivalence" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").
  Jakým způsobem "padá" antiproton v gravitačním poli, ve srovnání s běžným protonem? Měřit gravitační účinky přímo na základních částicích antihmoty - pozitronech a antiprotonech - není možné, neboť jsou nabité a elektrické působení s okolím mnohonásobně převyšuje hledanou sílu gravitační (je to stejné jak bylo výše diskutováno u částic běžné hmoty). Pro tento účel je potřeba připravit antihmotu elektricky neutrální, složenou z antiatomů. Optimální by bylo vytvořit makroskopická tělesa z antihmoty- antiatomů. Ty bychom potom pouštěli směrem dolů v zemském gravitačním poli - tak jak to historicky dělal G.Galilei (snad ze šikmé nakloněná věže v Pize..?..). Tato tělesa by byla na začátku v klidu a jejich okamžitá rychlost by byla dána pouze gravitačním zrychlením. Případně bychom je pouštěli vodorovným vrhem s definovanou počáteční rychlostí a sledovali jejich pohyb po parabole.
  Nic takového však s jednotlivými atomy neumíme. Jsme schopni jen vytvořit plyn složený z antiatomů vodíku, v němž se jednotlivé atomy pohybují chaoticky různými rychlostmi v různých směrech, s rozložením rychlostí podle "teploty", kterou bychom se snažili minimalizovat. Tyto atomy pak na počátku nejsou v klidu, ale mají různě velké počáteční rychlosti v různých směrech. V gravitačním poli pak padají po parabolických drahách, jejichž okamžité rychlosti v kolmém i podélném směru by se skládaly s počátečními rychlostmi antivodíkových atomů.
  Jsou však připravovány experimenty, které by byly schopny eliminovat či korigovat tyto vlivy a přesně tak změřit gravitační účinky přímo na atomech antivodíku - je diskutováno v pasáži "Umělá výroba antihmoty" - "Experimentální měření atomů antivodíku - AEGIS" :
 Umělá výroba antihmoty. Antivodík.
Když se antihmota v dostupné části vesmíru nevyskytuje (nenáme žádné "doly" na antihmotu), bylo by možné si ji "vyrobit" uměle? V urychlovačích produkujeme velké množství pozitronů a obtížněji i antiprotonů a antineutronů (jsou to však jen submikroskopická množství!), takže by se zdálo, že nic nestojí v cestě umělému "poskládání" těchto částic do "antiatomů". Ve skutečnosti však je umělé vytváření antihmoty neobyčejně obtížné!
  Částice produkované v urychlovačích se totiž pohybují vysokými rychlostmi blízkými rychlosti světla - mají vysoké kinetické energie, o mnoho řádů přesahující vazbové energie atomů. Pokud bychom takto rychlé antiprotony a pozitrony pustili proti sobě, proletěly by kolem sebe "bez povšimnutí" - téměř bez interakce - a žádné antivodíkové atomy by nevznikly. Aby se antiproton a pozitron mohly elektricky spojit do atomu antivodíku, musejí být milionkrát zpomaleny!
  Aby tedy mohl vzniknout atom antivodíku, musejí být pozitrony a antiprotony z původních energií řádově MeV zpomaleny na dostatečně malou vzájemnou rychlost, aby antiproton mohl pozitron zachytit a udržet. To není nijak snadné, takže se teprve nedávno (r.1995) na urychlovači LEAR v laboratoři CERN podařilo vytvořit prvních 9 atomů antivodíku.
  Antiprotony se zde nechaly prolétat xenonem, čímž se brzdily a při interakci zároveň vznikaly m.j. i páry elektronů a pozitronů. V uvedených několika případech pak byl pozitron následně zachycen prolétajícím antiprotonem za vzniku atomu antivodíku. Během řádově 10^-11 sec. pak při svém letu prostředím anihiloval s normální hmotou a záblesk anihilačního záření prokázal jeho kratičkou existenci. Při tak krátké době existence nelze měřit žádné vlastnosti antiatomů.
  Pro účinnější "výrobu antihmoty", resp. atomů antivodíku, byl v CERN zkonstruován elektromagnetický antiprotonový zpomalovač - decelerátor. V elektromagnetickém poli (vytvářeném vysokofrekvenčním rezonátorem) se antiprotony ve svazku z urychlovače zpomalí z původní energie cca 100MeV na jednotky MeV. To je stále ještě příliš vysoká energie k účinné výrobě atomů antivodíku i k dalším experimentům. Další zpomalení antiprotonů se proto provádí průchodem přes tenké hliníkové degradační fólie na cca 5 keV (výtěžnost je zde velmi nízká, jen cca 0,1%). Ve stadiu přípravy je však poslední účinný decelerační stupeň ELENA (Extra Low ENergy Antiproton ring), tvořený 30m hexagonálním prstencem s radiofrekvenčními dutinami a elektronovým chlazením. Zde dochází k dalšímu zpomalení antiprotonů přijímaných z antioprotonového decelerátoru z 5MeV na 100keV. Stačí pak již jen menší zpomalení degradačními fóliemi na cca 5keV, s podstatně menšími ztrátami než s použitím pouze degradačních fólií; dosáhne se dvojnásobného počtu antiprotonů. To vede k podstatně efektivnější produkci většího počtu antivodíkových atomů.
  Zpomalené částice se pak vedou do chlazené magnetické pasti, kde se oblak antiprotonů zachytí v magnetickém poli a dále se v něm "ochlazuje" (zmenšuje se kinetická energie jejich pohybu). Pozitrony se jednoduše získávají z beta⁺-radioaktivity, nejčastěji radioisotopu ²²Na, nebo také reakcemi pomocí lineárního urychlovače. Po základním zpomalení v tenké fólii se vedou do magnetické pasti kde se dále zpomalují ("ochlazují" podobně jako antiprotony) a pak se pomalé antiprotony a pozitrony současně vtřikují do reakční komůrky s magnetickou pastí, kde již dochází k záchytu pozitronů antiprotony za vzniku atomů antivodíku. Při zpomalení a zachycení v magnetické pasti mají obě částice dostatek času na své vzájemné navázání do atomů antivodíku. Touto metodou se v první fázi podařilo detekovat 80 antiatomů vodíku, avšak po dalším zdokonalení - zařízení ALPHA (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus) - se daří produkovat desítky tisíc atomů antivodíku pro experimenty, např. pro porovnání elektromagnetických spekter atomů antivodíku a vodíku.
  Pro produkci atomů antivodíku je výhodné použít pozitrony ve formě pozitronia - elektricky vázaného stavu elektronu a pozitronu (viz "Elektrony a pozitrony"). Pozitrony z beta⁺-radioaktivity se nechají procházet porézním terčíkem z křemičitého materiálu, v němž zachycují elektrony a vzniká pozitronium e^--e⁺. Pomocí laserových paprsků se pak pozitronium excituje do vyššího kvantového stavu (až n=25) a nasměruje se k antiprotonům. Vysoce excitované pozitronium může poměrně snadno předávat pozitron antiprotonu - dochází k "nábojové výměně" při níž antiproton zaujjímá v pozitroniu pozici elektronu: (e^--e⁺)* + p^- --> H^~* + e^-, za vzniku excitovaného atomu antivodíku H^~*. Tento proces má poměrně vysoký účinný průřez (závisí na 4.mocnině kvantového čísla n pozitronia). Další výhodou je nižší kinetická energie vzniklého atomu antivodíku. Atomy antivodíku zde vznikají ve vysoce excitovaném (Rydbergově) stavu, takže jsou citlivé na gradienty elektrických a magnetických polí, což umožňuje s nimi v experimentech manipulovat.
  Kromě produkce vlastních antiatomů je dalším velmi obtížným problémem jejich izolace od okolní hmoty, aby se zabránilo okamžité anihilaci s materiály reakční nádoby. K udržení nabitých částic se běžně používá magnetické pole (především v tokamacích - viz §1.3, část "Tokamak", či ve shora zmíněných magnetických pastích). Atomy antivodíku jsou však navenek elektricky neutrální. Mají ale magnetický moment, takže reagují na magnetické pole (i když slabě). Pomocí silných supravodivých elektromagnetů lze vytvořit "magnetickou past", která je schopna po určitou dobu antivodíkové atomy udržet v magnetickém poli uvnitř reakční nádoby. Magnetické pole je zde speciálně tvarované tak, že je nejsilnější na okrajích a směrem ke středu se snižuje. Atomy jsou vtahovány do "magnetické jámy" uprostřed, kde mohou zůstat určitou dobu uvězněné. Pokud je tato doba dostatečně dlouhá, antiatomy mají čas přejít do základního stavu, v němž lze měřit jejich fyzikální vlastnosti. Otevírá se tím cesta k přesnému testování předpokládané symetrie hmoty a antihmoty (některé nepatrné odlišnosti jsou diskutovány níže v pasáži "C P T symetrie interakcí"). Odhalení příp. drobných rozdílů by mohlo pomoci objasnit, proč je náš vesmír tvořen jen hmotou (srov. "Baryonová asymetrie vesmíru").
 Experimentální měření atomů antivodíku - AEGIS a GBAR
Pro přesné měření fyzikálních vlastností antivodíkových atomů se v CERN buduje projekt AEGIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy). Skládá se z několika základních navazujících kroků :
1. Produkce antiprotonů p^- v protonovém synchrotronu. Svazek protonů p⁺ urychlených na energii 25GeV dopadá na iridiový terčík, kde díky vysoké enegii vznikají spršky mnoha sekundárních částic, mezi nimi i páry proton-antiproton. Antiprotony p^- jsou odseparovány pomocí magnetického pole. Mají vysoké energie, rychlosti blízké c, široké energetické spektrum. Pro vytváření antiatomů nejsou přímo použitelné, musejí se zpomalit :
2. Antiprotonový decelerátor, který na kruhové dráze v magnetickém poli (vytvářeném elektromagnety) aplikuje silné elektrické radiofrekvenční pole opačné polarity, funguje "opačně" jako synchrotron. Má oválný tvar (průměru 60 m, na schématickém obrázku níže je pro jednoduchost zakreslen jako kruhový), po jeho obvodu jsou čtyři krátké rovné úseky s radiofrekvenčními elektrodami, kde probíhá vlastní brzdění antiprotonů. V AEGIS dochází ke zpomalení na 5,3 MeV, což odpovídá cca 10% rychloti světla. Další zpomalení antiprotonů se provádí průchodem přes tenké hliníkové degradační fólie na cca 5 keV (výtěžnost je zde velmi nízká, jen cca 0,1%; na schématu není zakresleno).
3. Zachycení a akumulace antiprotonů v elektromagnetické pasti (tzv. Penning-Malmbergova past), komoře s magnetickým polem a sadou kruhových elektrod. Provádí se zde též další zpomalování antiprotonů kolizemi v oblaku pomalých elektronů.
4. Produkce pozitronů e⁺ pomocí radioaktivity beta⁺ radionuklidu ²²Na.
5. Vytváření pozitronia Ps průchodem pozitronů přes nanoporézní materiál. Využívá se otho-pozitronium, které má delší životnost 142 ns (oproti para-pozitroniu které má dobu života 1000-krát kratší). Excitace pozitronia do Rydbergovského stavu Ps* s n=~25 pomocí ozařování UV a IR lasery.
6. Vytváření atomů antivodíku H*^~ pomocí reakce nábojové výměny antiprotonu p^- s exitovaným pozitroniem Ps*. Takto vytvořené pomalé antivodíkové atomy (s rychlostí ~ 25-80 m/s, odpovídá teplotě řádově 100 mK) se pak již vedou k experimentům pro měření jejich vlastností.
7. Pro AEGIS vytvoření pulsního horizontálního svazku atomů antivodíku H*^~ o konstantní rychlosti kolem 400 m/s. Využívá se zde účinek nehomogenního elektrického pole na vysoce Rydbergovsky excitované atomy H*^~ (umožňuje to manipulovat s nimi s využitím Starkova efektu). Je to důležité pro další analýzu parabolického pohybu atomů H^~ v gravitačním poli.

^{Rámcové zjednodušené schéma experimentálního studiia fyzikálních vlastností atomů anti-vodíku - AEGIS a GBAR.}

Při gravitačním experimentu v AEGIS se odtud horizontální proud antivodíkových atomů vede do systému dvou za sebou umístěných separačních štěrbin (mřížek) *) s periodou mřížky 80mm, které vytvářejí rovnoběžné svazky antivodíků. Následně se na konci dráhy délky L tyto antivodíky anihilačně detekují křemíkovým polohově citlivým detektorem s prostorovým rozlišením 10mm. Analyzuje se struktura mřížky, která se na polohově citlivém detektoru zobrazí jako řada maxim a minim v různých výškách při detekci většího počtu antiprotonů. Jejich vertikální polohy závisejí na poklesu (deflekci) antivodíkových atomů v zemském gravitačním poli (cca 20mm). Koreluje se s časy příletu antivodíkových atomů na detektor (které odpovídají jejich horizontálním rychlostem v). Vyhodnocuje se, nakolik výškový pokles h antivodíků ve vzdálenosti L odpovídá zákonu vodorovného vrhu rychlostí v v tíhovém poli Země s gravitačním zrychlením g^~ : h = ¹/₂.g^~.(L/v)². Jedná se o přímý laboratorní test platnosti slabého principu ekvivalence v obecné teorii relativity (viz §1.2, pasáž "Princip ekvivalence" v knize "Gravitace, černé díry ...") který říká, že trajektorie pohybu (zde pádu) hmotného tělesa závisí pouze na jeho počáteční poloze a rychlosti, nikoli na jeho struktuře a dalších vlastnostech - zda platí přesně i pro antihmotu..?... Přesnost stanovení g^~ v experimentu AEGIS se očekává cca Dg^~/g^~ ~1%.
*) Toto uspořádání dvou nebo tří mřížek ekvidistantně postavených za sebou se v optice nazývá moiré-deflektometr (franc. moiré = tkanina, jemná struktura, mřížka). Poslední třetí mřížka je zde nahrazena pozičně citlivým detektorem. Nevyužívá se zde v interferometrickém režimu jako v optice, ale slouží pro přesné vymezení horizontálních rovnoběžných trajektorií antivodíkových atomů. Anihilující antivodíkové atomy vytvoří na detektoru pásy - obrazce štěrbin mřížek, jejichž analýzou je možno určit, o kolik klesly H^~ při pohybu po parabole od druhé mřížky do dopadu na detektor.
  Vedle AEGIS se gravitačním měřením antivodíku zabývá alternativní experiment GBAR (Gravitational Behaviour of Anti hydrogen at Rest), provozovaný u téhož antiprotonového decelerátoru v CERN. K měření gravitačního zrychlení antivodíkových atomů nepoužívá horizontální pohyb s vyhodnocením pomocí moiré-deflektometru, ale svislý volný pád atomů antivodíku v měřicí komoře, s vyhodnocením přesného času anihilace při dopadu antiatomů zhora na dno komory. Trajektorie - výška h volně padajících atomů H^~ - souvisí s časem vztahem h = ¹/₂.g^~.(t₂-t₁)², kde t₁ je čas vstupu atomu do horního detektoru komory a t₂ je čas dopadu a anihilace atomu antivodíku na dně komory. V experimentu GBAR se budou používat další stupně zpomalování antiproronů (ELENA) a "chlazení" svazku p^-, nakonec až na energii 1 keV. Atomy antivodíku H^~ se další reakcí s pozitroniem připravují ve formě kladných antivodíkových iontů H^~+ - jeden antiproton a dva pozitrony (to vyžaduje vyšší tok pozitronů, které se zde generují pomocí 9MeV lineárního urychlovače). Tyto H^~+ se pak chladí pomocí Be⁺ iontů na teplotu kolem 10mK. Pomocí laserováho pulsu se pak těsně před měřením z H^~+ odstraní nejvzdálenější pozitron a vytvoří se neutrální atom antivodíku H^~, jehož doba volného pádu se měří ve svislé komoře s detektory. Díky měření pádu velmi zpomalených antivodíkových atomů (s téměř nulovou počáteční rychlostí, ~0,5m/s) lze očekávat zlepšenou přesnost stanovení g^~ cca Dg^~/g^~ ~10^-3.
  Při atomové spektrometrii antivodíku se pomalý svazek antivodíků vede do další magnetické pasti, kde se provádí jejich excitace a měří se záření vyzařované nebo pohlcované při přeskocích mezi jednotlivými energetickými hladinami. Energetické hladiny v atomu jsou závislé na setrvačné hmotnosti a náboji elektronu v atomu vodíku, či pozitronu v antivodíku. Srovnáním energie elektronových přechodů mezi vzbuzenou a základní hladinou u vodíku a antivodíku můžeme ověřovat, zda jsou setrvačné hmotnosti a náboje částic a antičástit přesně shodné, či je zde nepatrný rozdíl. Pokud se setrvačná hmotnost částic a antičástic liší, mohl by se příp. nepatrný rozdíl touto spektrometrií změřit.
Výroba většího množství a těžší antihmoty ?
Přes všechny dílčí úspěchy ve shora zmíněných náročných experimentech je bohužel nutno přiznat, že na vytvoření většího množství antihmoty, ani složitějších antiatomů než vodíku *), zatím není naděje v blízké budoucnosti...
*) Na cílenou "výrobu" těžších antijader opravdu není v dohledné době naděje. V nepatrném počtu (s mizivou pravděpodobností) však mohou vznikat náhodně při vysokoenergeticklých interakcích . Při srážkách těžkých jader vzniká větší počet antiprotonů a antineutronů. Pokud několik současně vzniklých antiprotonů a antineutronů shodou okolností letí společným směrem a s přibližně stejnou rychlostí, mohou se jadernými silami "svázat" do těžšího antijádra - anti-deuteria, anti-hélia. Jelikož tento proces má velmi malou pravděpodobnost, je třeba uskutečnit mnoho miliard-trilionů jaderých srážek, aby nějaké takové těžší antijádro náhodně vzniklo. V r.2011 se takovým způsobem na urychlovači těžkých iontů RHIC v Brookhavenu v experimentu STAR podařilo identifikovat 18 vzniklých jader anti-helia-4 (během několika měsíců srážek), další úspěšné experimenty tohoto druhu probíhají v CERN. Vznik ještě těžších antijader tímto způsobem, vzhledem k téměř nulové pravděpodobnosti, se asi nepodaří prokázat....
Antihmota - možný zdroj energie ?
V populárně-naučné a sci-fi literatuře se často uvádí, že při anihilaci hmoty s antihmotou dochází ke 100-% přeměně hmoty na energii, v souladu s Einsteinovým vztahem E = m.c². Mohla by tedy ve vzdálené budoucnosti být antihmota nevyčerpatelným zdrojem energie, popř. sloužit k pohonu mezihvězdných lodí (fotonové rakety - viz níže) na rychlosti blízké rychlosti světla? Bohužel to však není pravda, resp. problém je mnohem složitější, vyskytují se překážky nejen technického, ale i principiálního fyzikálního charakteru.
  Při anihilaci elektronu s pozitronem se skutečně veškerá klidová hmotnost obou částic mění na elektromagnetické záření: e⁺ + e^- ® 2g. Není to však na světlo, ale na tvrdé záření gama, které by se zrcadlem fotonové rakety neodráželo, ale pohlcovalo. Při anihilaci protonů a neutronů s antiprotony a antineutrony však nevzniká elektromagnetické záření (aspoň ne přímo), nýbrž p-mezony, např. p'+p®2p⁺+2p^-+p^o ; ty se pak rozpadají na miony a neutrina, např.: p^- ® m^- + n'_m , p⁺ ® m⁺ + n_m . Následuje rozpad mionů, např. m^- ® e^- + n'_e+ n_m , m⁺ ® e⁺ + n_e+ n'_m a teprve potom by mohla nastávat anihilace elektronů s pozitrony e⁺ + e^- ® 2g (všechny tyto interakce jsou podrobněji rozebírány níže). V hypotetickém "anihilačním reaktoru" budoucnosti by tedy muselo být dosaženo nejen účinné energetické využití tvrdého záření g, ale i uzavření protonového, pionového, mionového a elektronového (+ antičásticového) vysokoenergetického "plasmatu" tak, aby sekundární částice mohly spolu účinně anihilovat. Zatím není znám žádný fyzikální mechanismus, který by to umožňoval. A už vůbec není možné využít energii odnášenou neutriny....
  Energetickému využití anihilace hmoty s antihmotou brání i technické obtíže. Kdybychom např. chtěli spojit dvě makroskopická tělesa, jedno z hmoty a druhé z antihmoty, s cílem úplné anihilace, nebylo by to v praxi příliš úspěšné vzhledem ke vzniku tzv. Leidenfrostovy izolující bariéry *). Při dotyku povrchů obou těles vznikne mohutný tok energie (záření a částic), který ostatní hmotu těles od sebe odpudí, oddálí a izoluje tak, že k účinné objemové anihilaci nedojde; reakce je spíše plošná, než masívní objemová. Určitou možností by snad bylo srazit obě tělesa vysokou rychlostí, aby kinetická energie překonala tlak vzniklého záření. Nebo ještě lépe uskutečňovat anihilaci postupně v proudu částic hmoty a antihmoty (výše zmíněný "anihilační reaktor"). Nic z toho není v dohledné budoucnosti realizovatelné...
*) Podobný jev můžeme v běžném životě pozorovat, když kápneme vodu na rozžhavenou plotnu kamen. Kapičky vody se většinou nevypaří okamžitě (expozívně), ale chvíli "poskakují" na rozpálené plotně: při styku kapičky s plotnou vznikne pára, která na chvíli vytváří plynný "polštář" izolující kapičku od plotny.
Fotonová raketa ?
Kolimovaný zdroj elektromagnetického záření vykazuje efekt "raketového tahu" (je to obrácený efekt ke světelnému tlaku, který poprve pozoroval již Lebeděv). Je to důsledkem zákona zachování hybnosti, neboli zákona akce a reakce: elektromagnetické záření má tok hybnosti, který je v klasické elektrodynamice popsán Poyntingovým vektorem a z kvantového hlediska je dán hybností fotonů (každý foton vlnění o frekvenci f má energii E=h.f a hybnost p=h.f/c). Při vyzáření se tato hybnost předává zdroji v opačném směru, přičemž předaná hybnost za jednotku času udává působící sílu "tahu". Aby tento "raketový efekt" byl znatelný, je třeba neobyčejně vysoký tok záření, který není dosažitelný stávajícími technickými prostředky. V projektu fotonové rakety se počítá s anihilační reakcí, popř. s termonukleární reakcí, která by probíhala v ohnisku velkého polokulového či parabolického zrcadla, které by odráželo vznikající fotony a kolimovalo je směrem "dozadu". Jak bylo již výše nastíněno, záření vznikající při anihilační nebo termonukleární reakci není světelné, ale vysokoenergetické g a korpuskulární záření, pro které neplatí zákon odrazu; zrcadlo z žádného známého materiálu by toto záření neodráželo, ale převážně absorbovalo, což by vedlo k jeho tepelnému zničení.
Pozn.: Místo "fotonová raketa" je možno použít názvu "kvantová raketa", neboť požadovaný efekt vzniká nejen emisí fotonů, ale i jiných kvant-částic nesoucích hybnost. Pro fotony je však nejpříznivější poměr [předaná hybnost®tah]/[potřebná emitovaná hmotnost a energie].
 Antihmota a antisvěty ve sci-fi
Tajemný nádech pojmu "antihmota" vedl ve vědecko-fantastické literatuře ke vzniku představy "antisvětů", ve kterých je všechno "opačně" a v nichž příp. žijí i naši "dvojníci" - "antilidé". Tato sci-fi představa nemá žádné astronomické opodstatnění (jak bylo výše diskutováno v pasáži "Antiatomy, antisvěty"), je to spíše hříčka pro naši představivost ...
  Uvažujme tedy hypotetickou situaci, že někde ve zdáleném vesmíru se skutečně nachází rozsáhlá oblast antihmoty, kde vzniklly (anti)galaxie a v nich (anti)hvězdy včetně (anti)Slunce s planetární soustavou, kolem něhož obíhá (anti)Země na které se vyvinul úplně stejný život jako tady, včetně anti-lidí :

Představme si např. v myšleném sci-fi experimentu, že by si "hmoťanka" zde ze Země pomocí komunikace elektromagnetickým signálem domluvila s "antihmoťanem" někde ze vzdálené galaxie schůzku - "rande"- v určitém místě ve vesmíru na poloviční cestě, aniž by věděli že jsou vzájemně z antihmoty. Zaparkovali by v raketách poblíž sebe, vystoupili do volného prostoru a vydali se k sobě pozdravit se - "Ahoj!"; zatím by se nic zvláštního nedělo. Avšak v okamžiku, kdy by si podali ruce, by došlo k masívní anihilaci hmoty a antihmoty *) a oba partneři by byli zničeni v mohutném atomově-částicovém výbuchu.  *) Vzhledem ke zniku výše zmíněné Leidenfrostovy izolující bariéry nedojde k celkové anihilaci obou těl, ale jen povrchových částí dlaní rukou. I to by však stačilo k záhubě a destrukci obou partnerů!   Kdyby byli prozíraví, mohli by již na dálku otestovat, zda jsou z hmoty stejné povahy. Nejsnadněji tak, že by proti sobě vyslali slabý svazek elektronů a měřili, zda po jejich dopadu nevzniká anihilační gama záření 511keV. Pokud ano, nesměli by se k sobě přiblížit - rychle by od sebe museli utéct, aby nezahynuli..!..

Nezabýváme se zde představami antihmoty a antisvětů založených na omylech a nedorozuměních, kdy se předponě "anti" mylně připisují jiné významy, např. filosofické, obrácený tok času a pod. ..!..

Interakce elementárních částic - obecné vlastnosti
Vzájemná působení - interakce - různých objektů jsou základem veškerého dění v přírodě. Při interakcích dochází k přenosu energie, hybnosti, momentu hybnosti a nábojů mezi tělesy. Fyzika dospěla k poznání, že podstatou veškerých vzájemných působení a sil v přírodě jsou interakce mezi elementárními částicemi hmoty. Vzájemná působení částic popisujeme v zásadě třemi způsoby :
-> Mechanické silové působení
Tělesa a částice při vzájemném přiblížení a kontaktu na sebe prostě "působí silou" (o jejíž původ a mikroskopickou podstatu se zde nezajímáme) a my vyšetřujeme "mechanické" důsledky tohoto silového působení (v zásadě podle 3 Newtonových zákonů mechaniky). S tímto bezprostředním mechanickým silovým působením máme největší zkušenost z každodenního života. Ve fyzice se tak postupuje v klasické mechanice.
-> Fyzikální pole - působení na dálku
Jedna částice v prostoru kolem sebe vytváří pole, které silově působí na druhou částici, která se v něm nachází. Tento velmi úspěšný popis je základem klasické elektrodynamiky a gravitace.
  Každému druhu vzájemného působení přisuzujeme příslušné pole - prostor v němž na částice působí určité síly. Velikost působení pole v každém bodě prostoru se vyjadřuje pomocí intenzity pole (síly působící na "jednotkovou testovací částici") nebo pomocí jeho potenciálu (práce spojené s přenosem částice do daného místa). V klasické fyzice je to pole elektrické, magnetické, gravitační. Změny - "rozruch" - v tomto poli se šíří konečnou rychlostí od místa k místu, což je doprovázeno přenosem energie, hybnosti a dalších fyzikálních veličin.
  Z hlediska klasické fyziky se veličiny, jako je energie a hybnost, při změnách pole přenášejí spojitě. V kvantové fyzice se ukazuje, že při změnách (rozruchu) v poli se fyzikální veličiny přenášejí nespojitě po určitých "porcích" - kvantech. Kvantová teorie pole těmto kvantům přisuzuje určité částice jako nositele interakce, což vede k následujícímu způsobu :
-> Výměna částic v kvantové fyzice
Částice vysílají a přijímají určitá kvanta polí, což vyvolává jejich vzájemné působení. Tato výměnná kvanta si představujeme jako intermediální částice - nositele interakcí. Tento popis je charakteristický pro kvantovou teorii pole (základní principy jsou nastíněny v §1.1, pasáž "Kvantová teorie pole").
  Ve standardním modelu částic jsou interakce zprostředkovány výměnou intermediálních bosonů, které jsou při této výměně ve virtuálním stavu - existují tak krátce, že je díky kvantovému principu neurčitosti nemůžeme přímo pozorovat. Pokud však při interakci získá virtuální částice dostatečnou energii, může se uvolnit a stát se rálnou částicí; to běžně pozorujeme u fotonů, v experimentech na urychlovačích se daří nepřímo pozorovat i těžké bosony W^+,- a Z⁰.
 Prostorový dosah interakcí
V běžném životě a v okolní přírodě se setkáváme se dvěma druhy interakcí: elektromagnetickou a gravitační. Mají nekonečný dosah - intenzita pole E(r) ve vzdálenosti r je dána zákonem obrácených čtverců E(r) ~ k/r² a potenciál f(r) ~ k/r. Zákon obrácených čtverců má geometrický původ: kulová plocha poloměru r má povrch S=4pr². Tuto závislost má Coulombův zákon elektrostatiky a Newtonův zákon klasické gravitace.
  V mikrosvětě se setkáváme s dalšími dvěma druhy sil, které mají krátký dosah: tzv. silné jaderné interakce (§1.1, pasáž "Silná jaderná interakce") a slabé interakce (§1.2, pasáž "Mechanismus beta. Slabá interakce."). Pokud má pole-interakce krátký dosah, závislost jeho potenciálu f(r) na vzdálenosti r se modeluje dodatečným exponenciálním faktorem e^-m.m.r: f(r) ~ k.e^-m.m.r/r, kde m je hmotnost intermediální částice, m je škálovací konstanta. Takováto závislost se nazývá Yukawův potenciál (H.Yukawa jej zavedl v r.1935 pro silné jaderné interakce; tam se to však později ukázalo jinak...). Hodnota r ~ 1/(m.m) je efektivní dosah interakce (vzdálenost, na které interakce poklesne na hodnotu 1/e).
  Prostorový dosah interakcí v koncepci výměny částic úzce souvisí s klidovou hmotností m_o (neboli klidovou energií E_o=m_o.c²) výměnných intermediálních částic. Nejjednodušeji se to dá ukázat pomocí kvantové relace neurčitosti DE.Dt » h z níž plyne, že u intermediální virtuální částice, která naruší energii o hodnotu DE (rovnou její klidové energii E_o=m_o.c²), může být maximální čas tohoto narušení Dt » h/DE = h/E_o. Za tu dobu může tato částice rychlostí světla urazit dráhu Ds= c.Dt » c.h/E_o, což představuje maximální či efektivní dosah interakce zprostředkované touto intermediální částicí.
  Elektromagnetická interakce má nekonečný dosah, zprostředkující částicí je foton o nulové klidové hmotnosti (fotony mohou tedy přenášet v limitě téměř nulovou energii, takže podle relací neurčitosti mohou jako virtuální existovat téměř nekonečnou dobu a limitně se dostat i na nekonečnou vzdálenost). Rovněž gravitační interakce má nekonečný dosah, je zprostředkována gravitony s nulovou klidovou hmotností (zatím hypotetické či modelové částice, které neumíme nijak pozorovat).
  Naproti tomu slabé interakce jsou zprostředkovány těžkými intermediálními bosony W^+,- a Z⁰ o klidové energii 80 a 91 GeV/c², takže jejich dosah je velmi malý, řádově 10^-15cm (viz níže pasáž "Bosony W^+,-, Z⁰"). Proto i na subnukleárních měřítcích je tato interakce velmi slabá (na ještě menších měřítcích však není slabší než elektromagnetická).
  Složitější situace je u silné interakce. V atomových jádrech (a obecně mezi hadrony) pozorujeme velmi krátký dosah silné jaderné interakce cca 1,2×10^-13 cm. Tato skutečnost se dříve (provizorně, nesprávně...) vysvětlovala pomocí výměny intermediálních p-mesonů o klidové hmotnosti cca 135 a 140 MeV/c². Po objasnění kvarkové struktury hadronů se však tato koncepce opustila. Poznalo se, že silná interakce primárně působí mezi kvarky uvnitř hadronů a je zprostředkována gluony nulové klidové hmotnosti, takže její dosah by měl být nekonečný. Nyní se jaderné síly mezi nukleony chápou jako zbytkový projev silné interakce mezi kvarky (podrobněji je diskutováno níže v části "Kvarková struktura hadronů" a "Čtyři typy interakcí v přírodě", též v §1.1, část "Silná jaderná interakce").
 Rozptylové experimenty
Základem zkoumání struktury mikrosvěta jsou tzv. rozptylové experimenty *). Spočívají v tom, že studovaný objekt ostřelujeme vhodnými částicemi - elektrony, protony, a-částicemi a pod., a studujeme produkty srážky (či dostatečného přiblížení) nalétající částice s terčíkovým objektem (resp.s druhou částicí). Jedná se buď o původní částice rozptýlené (to je při nižších energiích), nebo jiné sekundární částice, emitované při interakci (to nastává při vyšších energiích). Analýzou energií, hybností, nábojů, úhlů výletu a dalších parametrů sekundárních částic můžeme získat důležité informace o struktuře zkoumaných mikro-objektů a o mechanismech interakcí příslušných částic. Interakce částic jsou důležité jednak při zkoumání struktury hmoty, hlavně však sehrávají klíčovou úlohu při formování hmoty ve vesmíru. Veškerá hmota která zde je (a z níž jsme sami složeni) vznikla při interakcích částic v počátečních stádiích vesmíru a později v nitru hvězd ("Kosmická alchymie").
*) Nemáme prostě jinou možnost zkoumat mikrostruktury tak malé, že nejsou přímo pozorovatelné (ostatně, i běžné vizuální pozorování je do určité míry jakýmsi "rozptylovým experimentem" s fotony viditelného světla...). První důležitý rozptylový experiment provedli již v r.1911 E.Rutheford spolu s H.Geigerem a E.Marsdenem - vedl k objevu atomového jádra (viz §1.1, část "Stavba atomů", obr.1.1.4).
  Pod interakcemi elementárních částic rozumíme procesy při vzájemných srážkách dvou částic nebo srážkách částice s atomovým jádrem (zde se problematika částečně prolíná s jadernými reakcemi rozebíranými v §1.3 "Jaderné reakce a jaderná energie"). Nejjednodušší dvoučásticovou interakci primárních částic a a b lze symbolicky zapsat jako a + b ® c + d - obr.1.5.1.A. Výsledné sekundární částice c a d po interakci mohou být buď tytéž jako a a b, nebo částice jiné. Často však výsledkem interakce bývají jiné částice než původní a též jiný jejich počet - zvláště při vysokých energiích zpravidla vzniká vyšší počet sekundárních částic (viz níže). Primární částice a a b, vstupující do reakce, jsou již "dopředu" známé (byly cíleně vytvořeny v "iontovém zdroji" a urychleny v urychlovači, nebo jedna z nich připravena v terčíku - viz níže "Urychlovače"). Vylétající částice c, d, popř. další sekundární částice, detekujeme a měříme jejich vlastnosti pomocí detektorů. Procesy vlastní interakce (srážky) se odehrávají v prostorové oblasti o mikro-rozměrech řádu 10^-8-10^-15cm, takže nejsou dostupné přímému pozorování. O jejich mechanismech si na základě rekonstrukcí interakce vytváříme určité modelové představy a teorie, které vysvětlují přechod od výchozího stavu (a+b) k výslednému koncovému stavu (c+d+ příp. další částice).
Při interakcích částic mezi nimi působí tři *) základní druhy sil (fyzikálních polí) :

• Silné interakce mezi hadrony (mezony, baryony) mohou vyvolávat jednak rozptyl, jednak jaderné reakce, při vysokých energiích pak i procesy vzniku nových částic a antičástic, jako jsou p-mezony, nukleony, hyperony a jejich kombinace.
• Slabé interakce, projevující se u leptonů, mezonů i baryonů, se při srážkách většiny druhů částic uplatňují jen poměrně okrajově. Výrazně se projevují u neutronů (vzhledem k jejich rozpadu beta), neutrin (interakce neutrin s nukleony - viz popis neutrinových experimentů v §1.2, část "Neutrina") a vysokoenergetických procesů, kde vznikají mezony p a K, hyperony a další částice rozpadající se v důsledku slabé interakce.
• Elektromagnetické interakce u nabitých částic způsobují Coulombovský rozptyl, radiační procesy jako je brzdné záření, tvorbu elektron-pozitronoých párů a jejich anihilaci, fotojaderné reakce. Pro všechny tyto typy procesů je charakteristické, že interakcí elektrických nábojů s elektromagnetickým polem, v němž se náboje nacházejí, vznikají kvanta záření - fotony, většinou fotony gama-záření. Elektromagnetické interakce jsou nejčastějšími procesy projevujícími se při srážkách většiny částic.

*) Gravitační interakce u elementárních částic je zcela zanedbatelná a dosud nebyla nikdy zaznamenána. Mohla by se snad projevovat až při extrémně vysokých energiích (»10¹⁹ GeV), o mnoho řádů vyšších než dovedeme nyní dosáhnout. Nejednalo by se však o nám běžně známé gravitační přitahování, ale gravitace by byla součástí unitárního pole (viz §B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny." v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").

  Při interakcích částic se obecně uplatňuje zásada: "co je dovoleno, to se též realizuje" - dochází ke všem druhům procesů *), které jsou slučitelné se zákony zachování energie, hybnosti, momentu hybnosti, elektrického náboje, leptonového čísla. Je-li k dispozici dostatek energie, realizuje se při srážkách částic celá řada procesů, avšak s různou pravděpodobností. Tato pravděpodobnost je dána vnitřními mechanismy interakce příslušných polí a vztahem mezi příslušnými konfiguracemi výchozího a koncového stavu. Pravděpodobnosti jednotlivých procesů ("kanálů" interakce) stanovuje kvantová teorie pole pomocí tzv. maticových elementů (elementů matice rozptylu S, viz též níže "Feynmanovy diagramy").
*) Jako kdyby všechna kvanta všech polí byla potenciálně, skrytě a implicitně - virtuálně - přítomna všude v prostoru, ve "vakuu". Z tohoto "unitárního" pole se pak dodáním energie - excitací pole - uvolňují příslušné částice, ať již virtuální či skutečné.
  Průběh a výsledek interakce částic závisí především na dvou okolnostech :
¨ Na druhu interagujících částic.
¨ Na kinetické energii, s níž se částice srážejí (určující je zde energie v těžišťové soustavě obou částic).
  Pozn.: I při srážkách stejných částic a při stejné energii však zpravidla interakce proběhne pokaždé poněkud jiným způsobem - různými "kanály" reakce. Můžeme si to vysvětlit tak, že jednak srážka může proběhnout "čelně" nebo "periferně" (tj. s různým impaktním faktorem a vzájemným momentem hybnosti obou částic), jednak vlivem stochastických zákonitostí kvantové fyziky se jednotlivé možné konfigurační stavy realizují s různými pravděpodobnostmi.

Feynmanovy diagramy
Pro přehledné grafické znázornění mechanismů interakcí částic se často používají tzv. Feynmanovy diagramy (R.Feynman je poprve zavedl v r.1948). Vycházejí z výměnného popisu interakcí částic. Trajektorie "látkových" částic, fermionů (elektron, proton, ...) jsou zde vyznačeny rovnými plnými čarami s šipkami - částice mají šipku směřující vpravo, antičástice vlevo. Výměnné intermediální částice (foton, W-bosony, gluony...) jsou vyznačeny čárkovaně nebo vlnovkami. Ve vodorovném směru je časová orientace (používají se i jiné konvence) - ovšem jen symbolická, tyto diagramy neslouží ke konkrétnímu vyjádření časového průběhu interakcí, ale jen k "topologickému" znázornění jejich mechanismů; jsou určitou analogií prostoročasových diagramů používaných v relativistické fyzice. Základní Feynmanův diagram obecné blíže nespecifikované interakce dvou částic a+b®c+d je na obr.1.5.1.A. Do vzájemné blízkosti - interakční oblasti - přilétají primární částice a a b, uvnitř dochází k vlastním procesům interakce, načež z této oblasti vylétají výsledné částice c a d. Horní část obrázku 1.5.1.A znázorňuje obvyklý prostorový nákres srážky obou částic, dolní část obrázku Feynmanovu prezentaci této interakce.
  Vlastní Feynmanovy diagramy pak specifikují a znázorňují možné procesy uvnitř interakční oblasti pro konkrétní druhy vstupujících a vystupujících částic. Opět se skládají z vnějších čar s "volnými konci", znázorňujících částice vstupující do interakce a z ní vystupující. Vlastní interakční procesy jsou zakresleny tzv. interakčními vrcholy - body, v nichž se na výchozí vnější čáru částice napojují vlnové nebo přerušované čáry, odpovídající výměnným intermediálním částicím zprostředkujícím interakci *). V interakčních vrcholech jsou splněny zákony zachování energie, hybnosti, elektrického náboje, leptonového čísla. Vnitřní čáry mezi interakčními vrcholy vnějších čar odpovídají virtuálním částicím, které neopouštějí interakční oblast a mezi vstupujícími ani výslednými "fyzikálními" částicemi v počátečním nebo koncovém stavu nejsou přítomny; při vlastní interakci však působí a na výsledku se podílejí. Z některých interakčních vrcholů mohou dále vycházet i čáry s druhým volným koncem: ty odpovídají reálným částicím (fotonům, W-bosonům, fermionům) emitovaným při procesu.
*) V kvantové teorii pole tyto čáry odpovídají tzv. propagátorům (angl. propagation=šíření) - funkcím udávajícím amplitudu pravděpodobosti (amplitudu "šíření vlny") při pohybu částice s určitou energií a hybností. Jedná se o fermionový (např. elektronový) a bosonový (např. fotonový) propagátor. Propagátory lze vyjádřit pomocí tzv. Greenových funkcí, kteréjsou řešením vlnových rovnic příslušných částic (buď nehomogenní Diracovy rovnice s d-funkcí souřadnic a času, nebo d´Alembertovy rovnice pro potenciály elektromagnetického pole). Vlastní interakční vrcholy odpovídají operátorům kreace (vzniku) a anihilace (zániku, zničení) příslušných částic.
  Uvedeme si příklady Feynmanových diagramů pro některé konkrétní typické interakce částic - obr.1.5.1. Z hlediska jaderné, radiační a částicové fyziky jsou tyto interakce podrobněji rozebírány na jiných příslušných místech (§1.2, 1.3, 1.5, 1.6) našeho pojednání. Začněme interakcemi při nízkých energiích. Nejjednodušším procesem s částicemi je interakce dvou elektronů pod vlivem elektromagnetické síly. Základním mechanismem, působícím v interakční oblasti, je zde podle koncepce kvantové elektrodynamiky výměna fotonů mezi oběma elektrony - na Feynmanově diagramu jsou elektronové čáry ve svých interakčních vrcholech spojeny fotonovou čárou (obr.1.5.1.B) - jeden elektron vyzáří virtuální foton g*, druhý ho absorbuje, čímž se oba elektrony na svých drahách vzájemně rozptýlí (pružný rozptyl). Výsledným stavem jsou opět dva elektrony. Toto je však jen jeden z možných procesů a navíc pouze v první aproximaci. Již z klasické elektrodynamiky je známo, že při každém zrychleném pohybu elektrických nábojů dochází k vyzařování elektromagnetických vln. Emise fotonu brzdného záření nastává i při rozptylu elektronů. Při vyšších energiích se mohou realizovat i interakční vrcholy s energetickými částicemi, které mohou generovat reálné částice - linie s volnými konci odpovídající sekundárním leptonům; při nejvyšších energiích i produkce těžkých částic (viz níže).
  Dalším jednoduchým procesem elektromagnetické interakce je rozptyl fotonu na elektronu - Comptonův rozptyl (je popsán v §1.6 "Ionizující záření", část "Interakce záření gama a X", obr.1.6.3). Na Feynmanově diagramu v horní části obr.1.5.1C vidíme ve vstupní oblasti plnou čáru elektronu a vlnovku fotonu. V interakčním vrcholu vzniká virtuální elektron e* (který jako by "pohltil" energii fotonu), který se v druhém vrcholu opět mění na vylétající elektron a foton. Interakce pozitronu s elektronem může při nízkých energiích proběhnout opět buď jako Coulombický pružný rozptyl (Feynmanův diagram je zcela analogický obr.1.5.1.B), nebo jako proces anihilace za vzniku fotonů gama - dolní část obr.1.5.1.C. Při vyšších energiích je v obou těchto procesech opět více možností za vzniku dalších sekundárních částic. Při nejvyšších energiích je řada možností produkce i těžkých částic, včetně Higgsových bosonů. Dvě takové možnosti "elektro-slabé produkce" Higgsova bosonu jsou na obr.1.5.1.D: přímá interakce e⁺+e^-®Z*®Z+H (H-vyzáření) a sdružená produkce W nebo Z a jejich následná fúze na H. Higgsovy bosony jsou vysoce nestabilní částice a okamžitě se rozpadají buď na dva vysokoenergetické fotony, nebo na čtyři leptony (přes intermediální bosony W či Z), příp. dalšími zůsoby (vlastnosti Higgsových bosonů jsou popsány níže v části "Hypotetické a modelové částice").

Obr.1.5.1. Příklady Feynmanových diagramů některých význačných interakcí částic.
Pozn.: Symbolické obrázky protonů, neutronů a p-mesonů nejsou součástí standardních Feynmanových diagramů; jsou zde zakresleny jen pro názornost.

  Slabé interakce jsou zprostředkovány výměnými intermediálními bosony W (popř. Z). Na obr.1.5.1.F je diagram důležitého procesu transmutace kvarku d na u při b^--radioaktivní přeměně neutronu na proton, elektron a (anti)neutrino: n^o ® p⁺ + e^- + n'_e. Tento proces, stejně jako analogický proces b⁺, odpovídá obrázku 1.2.5 v §1.2 "Radioaktivita", část "Radioaktivita beta". Další důležité procesy, probíhající vlivem slabé (resp. elektroslabé) interakce, jsou rozpady pionů na miony a neutrina, např. p^- ® m^- + n'_m (analogicky probíhá rozpad p⁺) a mionů na elektrony a neutrina, např. m^- ® e^- + n'_e+ n_m (analogicky pro m⁺) - zachycují to Feynmanovy diagramy na obr.1.5.1.G.
  Silné interakce jsou zprostředkovány "výměnou" gluonů mezi kvarky, obsaženými uvnitř hadronů - mesonů (především p a K) a baryonů (protonů, neutronů, hyperonů). Nelinearita kvantové chromodynamiky silné interakce spolu s ideou asymptotické volnosti (viz níže "Uvězněné kvarky", nebo "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny.") umožňuje Feynmanovy diagramy (a poruchový přístup) používat jen v procesech, kde je kvarkům předávána vysoká hybnost. "Klidové" interakce kvarků v hadronech, silnou interakci nukleonů v jádrech a "hadronizaci" kvark-gluonové plasmy takto analyzovat nelze. Zato však lze dobře popsat vysokoenergetické interakce mezi hadrony. Na obr.1.5.1.E je znázorněn Feynmanův diagram produkce pionu při srážce dvou protonů p+p®p+p+p^o; je to jeden z možných procesů, alternativně může vznikat i proton, neutron a p⁺, nebo dva neutrony a p^-.
  Při vysokoenergetických interakcích (viz níže), kdy je k dispozici dostatek energie, se může realizovat široké spektrum různých vnitřních procesů. Především, intermediální W-bosony či gluony, napojené v interakčních vrcholech, mohou získat natolik vysokou energii, že mohou generovat velmi těžké částice - Higgsovy bosony H a těžké kvarky t, ve sdružené produkci částice-antičástice. Ty se pak vzápětí rozpadají za účinku intermediálních bosonů W na elektrony, miony, tauony, neutrina a jejich antičástice. Higgsovy bosony se též mohou rozpadat na dvojici vysokoenergetických fotonů g. Dále, opakovanými procesy s intermediálními částicemi může při jedné srážce vznikat více částic - včetně kvarků, které vzápětí hadronizují. Na obr.1.5.1.H je příklad vysokoenergetické srážky dvou protonů při energii stovky GeV, kdy interakcemi s výměnnými gluony mohou vznikat i těžké t-kvarky, b-kvarky, pak W-bosony a nakonec leptony (elektrony e^±, miony m^±, tauony t, neutrina n), které vylétají z interakční oblasti a mohou být detekovány. Při ještě vyšší energii desítky TeV (zatím nedosaženo...) je jednou z více možností i vznik Higgsova bosonu ("silná produkce" H výměnnou interakcí energetických kvarků s gluony nebo W-bosony) a série následujících rozpadů na W-bosony a nakonec opět leptony či kvarky - obr.1.5.1.I. A samozřejmě je to doprovázeno hadronizací energetických kvarků. Na obr.1.5.1.I je znázorněn vznik Higgsova bosonu tzv. gluonovou fúzí; dalšími možnostmi je W nebo Z fúze (analogické jako na obr.D dole, jen místo elektronů jsou kvarky), popř. sdružená produkce s W nebo s t-t'-párem.
  V těchto vysokoenergetických srážkách do interakční oblasti vstupují i ostatní kvarky srážejících se protonů - interakcí s gluony zde pak může vzniknout tzv. kvark-gluonová plasma (viz níže pasáž "Kvark-gluonová plasma - "5.skupenství hmoty", " a v §1.3 pasáž "Vysokoenergetické srážky těžších jader. Kvark-gluonová plasma."), jejíž hadronizací vznikají další sekundární hadrony (především piony, nukleony), vylétající z interakční oblasti. Na obr.1.5.1.H,I jsou vyznačeny dvě interakční oblasti. První - "asymptoticky volná" - odpovídá vysokoenergetickým interakcím, při nichž se i kvarky chovají jako volné a jejich interakce může být popsána Feynmanovými diagramy; je analogická interakčním oblastem na ostatních diagramech. Druhá interakční oblast odpovídá hadronizaci kvarků, které nemohou vyletět samostatně, ale v gluonovém poli díky své energii generují další dvojice kvarků-antikvarků, které se spojují do dvojic a trojic - vylétají jako hardony - mesony p a K, protony, neutrony, hyperony. Tyto částice vylétají často v úzce směrovaných sprškách, zvaných jety, v malém úhlu kolem směru letu původních energetických kvarků.
  V kvantové teorii pole (v jejím tzv. poruchovém přístupu) se Feynmanovy diagramy používají jako vodítko pro započtení příspěvků od různých druhů možných procesů s intermediálními kvanty do tzv. maticových elementů (prvků S-matice rozptylu), udávajících pravděpodobnosti kvantových přechodů mezi stavy daného systému - zde mezi stavem před interakcí a po interakci částic.
   Nejprve se sestaví příslušné Feynmanovy diagramy, jejichž vnější linie odpovídají vstupujícím částicím počátečního stavu a vystupujícím částicím koncového stavu. Vyšetřuje se postupně 1.aproximace (diagram s 2 interakčními vrcholy), 2.aproximace (4 vrcholy), ..., N-aproximace (počet vrcholů 2N). Pro každou z těchto aproximací se kreslí všechny rozdílné (topologicky neekvivalentní) diagramy se stejnými vnějšími liniemi a počty vrcholů. V každém takovém diagramu se pro jednotlivé jeho části - vnější linie, vnitřní linie, vrcholy - stanovují specifické členy (koeficienty), obsahující (4-)hybnosti a vazbovou konstantu g příslušné interakce. Pak se provede integrace přes všechny hybnosti. Příspěvky všech diagramů se nakonec sečtou.
..............přijde doplnit.................

Vznik nových částic při interakcích
Specifickým jevem při vysokoenergetických interakcích částic je vznik nových částic - emise dalších částic, které nebyly předtím přítomny. Mohou to být buď částice stejného druhu jako vstupovaly do interakce, nebo částice jiného druhu. Tento jev si vysvětlujeme pomocí Diracovy kvantové koncepce vakua *), které není "prázdným prostorem", ale je zaplněno virtuálními částicemi, resp. dvojicemi částic a antičástic. Jestliže při interakci v určitém místě vznikne dostatečně velký gradient určitého pole - je předána dostatečně velká energie - přemění se tyto virtuální částice na částice reálné; to pozorujeme jako emisi nových částic. Dochází přitom ke sdružené produkci dvojic částic-antičástic. Nutnou podmínkou pro vznik nových částic je dosažení dostatečně vysoké energie interakce - prahové energie, vyšší než Sm_o.c², kde Sm_o je úhrnná klidová hmotnost vznikajících částic.
*) Mechanismy vzniku částic se podrobně zabývá kvantová teorie pole a unitární teorie. K jejich grafickému znázornění se používají i výše zmíněné Feynmanovy diagramy.
Vícenásobné interakce - kaskády interakcí a spršky částic 
Při interakci vysokoenergetických částic v dostatečně objemném látkovém prostředí dochází k efektu vícenásobné interakce. Sekundární částice, uvolněné při první interakci dopadající primární částice, způsobují další interakce, při nichž se produkují další (terciální) částice, které činí totéž. Z jedné dopadající částice tak v kaskádě interakcí vzniká celá sprška sekundárních částic. Jak rozvíjející se sprška proniká do hloubky materiálu, počet sekundárních částic roste a jejich průměrná energie klesá. Jakmile tato energie poklesne pod určitou prahovou mez, multiplikační proces se zastaví a energie částic se bude dissipovat ionizací a excitací; počet částic ve spršce bude klesat, až sprška nakonec zanikne. V praxi rozlišujeme dva druhy kaskádních interakcí:
¨ Elektromagnetické spršky
vznikající při interakcích vysokoenergetických fotonů nebo elektronů s atomy látky. Sekundární elektrony a fotony, emitované při primární interakci, vlivem párové e^-e⁺ produkce, Comptonova rozptylu, fotoefektu a brzdného záření, vyvolávají další elektrony (+pozitrony) a fotony; atd.
¨ Hadronové spršky
vznikající v důsledu nepružných interakcí vysokoenergetických hadronů s atomovými jádry materiálu. Dochází ke vzniku jaderných fragmentů a k produkci nových sekundárních částic - p, n, p, K. Počet těchto sekundárních částic je přibližně úměrný logaritmu energie n ~ lnE.
   V řadě případů v praxi tato sprška není čistě hadronová nebo elektromagnetická, ale smíšená. Součástí hadronové spršky jsou piony, které se vzápětí rozpadají: p^+,-®m^+,-+n_m, p^o®g+g; vede to ke vzniku elektromagnetické elektron-foton-mionové spršky, která doprovází hadronovou kaskádu. Každá hadronová sprška má tedy i elektromagnetickou složku. A při interakci vysokoenergetických fotonů nebo elektronů dochází při fotojaderných reakcích k emisi protonů a neutronů, které mohou elektromagnetickou spršku obohacovat o hadronovou složku. Kaskády interakcí a spršky sekundárních částic pozorujeme u kosmického záření (viz obrázek 1.6.7 v §1.6, část "Kosmické záření") a při interakcích částic na urychlovačích (v bublinových komorách, trackerech a kalorimetrech).

Účinný průřez interakcí částic. Impaktní parametr.
Podobně jako u chemických a jaderných reakcí, i interakce elementárních částic probíhají různě "ochotně" - s různou účinností či pravděpodobností, v závislosti na druhu interakce a energii částic. Pravděpodobnost interakcí částic lze názorně vyjádřit geometrickým způsobem pomocí tzv. účinného průřezu reakce. Účinný průřez (angl. cross section) vyjadřuje pravděpodobnost, že ostřelující částice bude daným konkrétním způsobem interagovat s terčovou částicí.
  Koncepce účinného průřezu vychází z názorné představy, že terčová částice se vzhledem k nalétající částici chová jako "absorbující tělísko" o poloměru r (na obr. černý kotouč), které částice buď zasáhne a dojde k požadované interakci, nebo je nezasáhne (mine je, proletí kolem) a k interakci nedojde. Čím větší je poloměr tohoto tělíska, resp. jeho efektivní ploška s = p.r² - účinný průřez, tím větší je pravděpodobnost interakce (pravděpodobnost, že částice se "trefí").

Vyjádření pravděpodobnosti interakce ostřelující částice s terčíkovou částicí pomocí účinného průřezu

Účinný průřez může, ale nemusí, přímo souviset s "geometrickým průměrem" terčové částice r_geom, či jejím "geometrickým průřezem" s_geom = p.r²_geom. Pro "přitahující se" částice je s > s_geom, pro odpuzující se částice je s < s_geom. Kromě toho stejná ostřelující částice může na téže terčové částici způsobit různé interakce, jejichž různé pravděpodobnosti popíšeme různými parciálními účinnými průřezy. Tyto účinné průřezy nemají již nic společného s geometrickými rozměry částic - jsou důsledkem vnitřních mechanismů konkrétních druhů interakcí (o geometrických rozměrech částic bylo diskutováno výše v pasáži "Velikost elementárních částic ...").
  Jednotkou účinného průřezu v soustavě SI by byl m², který je však neadekvátně velký a proto se v jaderné fyzice používá jednotka barn (bn): 1 bn = 10^-28m², která má řádově velikost geometrického průřezu protonu vzhledem k silné interakci.
  Účinný průřez interakce velmi těsně souvisí s koeficientem absorbce, tzv. lineárním součinitelem zeslabení m, v exponenciálním zákoně absorbce ionizujícího záření v látkách. Tato souvislost bude vyjasněna v následujícím §1.6 "Ionizující záření", pasáž "Absorbce záření v látkách".
  Pro průběh konkrétní interakce je důležitý tzv. impaktní parametr b: je to geometrická vzdálenost středů efektivních "disků" interagujících částic, v níž kolem sebe prolétají nebo se protínají. V případě malého impaktního parametru b<<r_geom se jedná o centrální srážku, při větších hodnotách b o srážku periferní. Pokud je impaktní parametr větší než r_geom, resp. větší než součet efektivních poloměrů obou částic (terčové a nalétající), nedochází již k přímé interakci základním mechanismem (silnou krátkodosahovou interakcí), ale částice mohou interagovat prostřednitvím svých elektrických polí, pokud jsou nabité (taková srážka se někdy nazývá ultraperiferní).
Závislost účinného průřezu na energii 
  Při daném druhu částic a interakcí je účinný průřez poměrně složitou funkcí energie nalétající částice. Energetická závislost účinného průřezu má často rezonanční charakter: měníme-li spojitě energii interagující částice, objevují se na křivce závislosti účinného průřezu výrazná maxima kolem určitých konkrétních hodnot energie. Tyto závislosti svým tvarem připomínají rezonanční křivky závislost proudu, napětí či impedance u elektrických obvodů RLC (obsahujících ohmický odpor R, indukčnost L a kapacitu C), na frekvenci f střídavého elektrického signálu kolem frekvence f_rez= 1/[2pÖ(LC)]. Pro účinný průřez tohoto druhu interakcí byl již v r.1936 odvozen důležitý Breit-Wignerův vztah *)
                s = (l/2p)².g.G².1/[(E-E_r)² + (G/2)²] ,
kde E_r je rezonanční energie, G představuje šířku excitované hladiny intermediálního stavu při interakci, l je vlnová délka částice, faktor g je funkcí poměru spinů výchozího a konečného stavu.
*) Breit a Wigner odvodili tento vztah pro speciální případ elastického rozptylu nalétající částice v potenciálovém poli částice terčíkové. S určitými modifikacemi však tento vzorec platí pro všechny druhy interakcí vykazující rezonanční maxima účinného průřezu.
  Přítomnost rezonančních maxim v energetické závislosti účinného průřezu svědčí pro existenci určitých dynamických procesů při interakci - vznik vázaných systémů, diskrétních excitovaných stavů či intermediálních částic.

Interakce částic vysokých energií
V §1.3 a 1.6 jsou rozebírány interakce především při nižších a středních energiích, které vedou k charakteristickým jevům excitace a ionizace atomů, popř. k jaderným reakcím spojeným s transmutací atomových jader a emisí jaderných částic. Při nízkých energiích (menších než cca 1MeV) se celkový počet elementárních částic před a po interakci nemění, vznikají příp. jen fotony odnášející energii při deexcitaci vzbuzených stavů. Pokud energie interagujících částic (včetně fotonů gama) překročí prahovou hodnotu 2.m_e.c² = 1,022MeV, mohou při reakci vznikat nové (sekundární) částice - dvojice elektron e^- a pozitron e⁺.
  Pod interakcí částic vysokých energií se rozumí reakce vyvolané částicemi s energií, která leží nad prahem produkce mezonů p, neboli nad energií »140MeV v těžišťové soustavě. Se stoupající energií se při takových interakcích může produkovat postupně více nových sekundárních částic (většinou p-mezonů) a dále též částice s vyšší klidovou hmotností - mezony K, nukleony a antinukleony, hyperony, bosony W a Z (při nejvyšších energiích mnoha TeV a více se očekávají i produkce Higgsových bosonů, supersymetrických částic, leptokvarků a dalších "exotických" dosud neprokázaných částic).
   Jsou-li částicemi vysokých energií (např. protony) ostřelována atomová jádra, dochází k vyrážení několika nukleonů a "odštěpků" - k "tříštění" či fragmentaci jader.
  Při nejvyšších energiích (řádově 100GeV a vyšších) jsou interakce již značně složité a různorodé, dochází k produkci velkého počtu sekundárních částic. V laboratorní (terčíkové) soustavě vzniká úzký svazek sekundárních částic, předenším pionů p, kolimovaných dopředu ve směru pohybu primární částice - jakási tryska či sprška částic. Dále vzniká širší kužel těžších částic a také kvant gama. Při těchto reakcích se plně projevují kinematické a dynamické efekty speciální teorie relativity - označují se někdy jako ulrarelativistické. Při vysokoenergetických srážkách těžkých částic (protonů a zvláště těžších atomových jader) může na kratičký okamžik vzniknout vzniknout zvláštní směsice lokálně volných kvarků a gluonů - tzv. kvark-gluonová plasma (podrobněji rozebíraná níže v části "Kvarková struktura hadronů", pasáž "Kvark-gluonová plasma - 5.skupenství hmoty").
   Studium interakcí částic při vysokých energiích má velký význam pro poznání struktury elementárních částic a podstaty sil, které mezi nimi působí. Během srážky při vysoké energii částice vzájemně proniknou "hluboko do svých niter" a výsledek interakce může leccos vypovědět o jejich stavbě. Vlivem kvantových procesů v polích silných, slabých a elektromagnetických interakcí vznikají při vysokoenergetických srážkách nové sekundární částice, které jsou jednak zajímavé samy o sobě, jednak nesou důležité informace o charakteru fundamentálních přírodních sil, včetně možností jejich jednotného chápání v rámci unitární teorie pole. Srážky částic při vysokých energiích jsou jakousi "sondou" do nejhlubšího nitra hmoty *) - a zároveň i do procesů vzniku vesmíru (viz §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír." knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Konkrétní způsoby interakcí částic budou popsány níže pro jednotlivé druhy elementárních částic.
*) Srovnejme též s též levou částí obr.1.0.1 v §1.0. "Fyzika - fundamentální přírodní věda".

Analýza dynamiky interakcí částic
  Vysokoenergetické interakce elementárních částic se studují pomocí velkých urychlovačů (viz níže část "Urychlovače nabitých částic"). Na vlastní urychlovač navazují velmi komplikované a precizní detekční aparatury a systémy *), které analyzují sekundární částice a záření, vzniklé při interakci vysokoenergetických primárních částic s materiálem terčíku či vzájemně ve vstřícných svazcích. Obsahují velký počet jednotlivých detektorů různých druhů (scintilační, polovodičové, ionizační), umístěných v silných a speciálně konfigurovaných magnetických polích (pro analýzu hybnosti nabitých částic). Analýzou druhu, náboje a hmotnosti těchto vyletujících částic, jejich energií, hybností a úhlů emise z místa interakce, lze rekonstruovat řadu parametrů interakcí, k nimž dochází. Z toho lze usuzovat na strukturu elementárních částic, vlastnosti působících polí a interakcí, na existenci nových dosud neznámých kvant a částic.
*) Pro tento účel se dříve používaly velké bublinkové komory (viz §2.2, část "Detektory stop částic"). Nyní jsou nahrazovány rozsáhlými a složitými elektronickými detekčními systémy (§2.1, část "Uspořádání a konfigurace detektorů záření"), obsahujícími mimo jiné tzv. trackery (angl. track = stopa, dráha) - elektronické detektory drah částic. Používají především multidetektorové polovodičové systémy (§2.5 "Polovodičové detektory"), popř. soustavy speciálních ionizačních komor a scintilačních detektorů.
  I tehdy, když se určitá intermediální částice rozpadne hned v místě interakce (a nemůže být tedy detekována přímo), nesou produkty jejího rozpadu určité informace o jejích vlastnostech. Ze změřených energií a hybností lze stanovit hmotnost původní částice. Vyneseme-li na vodorovnou osu změřenou energii detekovaného souboru částic odpovídajícího příslušnému "kanálu" rozpadu - sekundárních částic, na které by se hledaná intermediální částice měla rozpadat - a na svislou osu vyneseme registrovaný počet případů (příp. normalizovaný na jednotku energie primárních srážejících se částic, např. protonů), může se na jinak plynulé křivce objevit drobný "hrbolek", svědčící pro existenci krátkožijící částice o příslušné klidové hmotnosti, odpovídající energii na vodorovné ose.
Na základě kvantové relace neurčitosti mezi dobou života t částice a neurčitostí stanovení její klidové energie E = mc² (t.DE » h) lze ze stastistického "rozmazání" stanovených hodnot klidové hmotnosti určit dobu života t intermediální částice.
Dalitzův diagram 
Na výstupu detekčních systémů, obklopujících místo interakce, se objevuje velké množství impulsů různých velikostí, tvarů, časových a úhlových korelací, nesoucích informace o energiích, hybnostech a dalších parametrech sekundárních částic. Orientovat se v tak velkém množství dat není nikterak snadné. Pro přehledné zobrazení a kinematickou analýzu produktů interakcí částic se často používají tzv. Dalitzovy diagramy (diagramy tohoto typu poprve zavedl R.H.Dalitz v r.1953 při studiu rozpadů K-mezonů). Ze zákonů zachování energie a hybnosti vyplývá, že kinematiku interakce lze vhodně parametrizovat druhou mocninou energie částic. Na osách diagramu se vynášejí (v energetických jednotkách GeV²) druhé mocniny efektivních hmotností»energií dvojic dceřinných částic (produktů interakce*), většinou p-mezonů.
*) Jestliže např. při interakci dvou primárních částic P1 a P2: P1+P2®A+B+C vzniknou tři sekundární částice A,B,C, na osu X vynášíme m²_AB a na osu Y hodnoty m²_BC. Tyto kvadráty hmotností jsou rovné druhým mocninám součtů 4-hybností částic: m²_AB = (p_A+p_B)², analogicky m_BC.
  Pokud studovaný druh interakce probíhá přímo, bez ovlivnění dynamickými procesy intermediálních částic či rezonančních stavů (což je z určitého pohledu totéž...), jsou výsledné částice náhodně rozděleny a distribuce příslušných měřených bodů na Dalitzově diagramu je přibližně homogenní, vyplňující trojúhelníkovou oblast pod diagonálou danou použitou energií. Pokud však při interaci vzniká nějaká krátkožijící intermediální částice (resp. rezonanční proces), jejímiž produkty rozpadu jsou detekované sekundární částice, je distribuce měřených bodů na Dalitzově diagramu nehomogenní - objevují se lokální zhuštěniny (v profilu diagramem pak píky) v oblastech kolem hmotnosti intermediální částice.
  Analýzy tohoto druhu se dříve prováděly manuálně s vykreslením bodů na papír. Nyní se provádějí pomocí výkonné počítačové techniky, diagramy jsou digitalizované a zobrazují se pomocí počítačové grafiky, někdy i s barevnou modulací obrazu. Zavádějí se též Fourierovy transformace pro analýzu vztahu mezi časovým a energetickým spektrem u krátkožijícího stavu intermediální částice či rezonance. Všechny tyto metodické přístupy jsou užitečné nejen při analýze interakcí částic, ale všude tam, kde potřebujeme odlišit kinematické efekty od dynamických, prokázat existenci nějakého krátkožijícího vázaného stavu, který není přímo pozorovatelný.
Energetická závislost účinného průřezu 
  Tento postup se vhodně kombinuje s analýzou energetické závislosti účinných průřezů interakce, jejíž případný rezonanční charakter se vyjadřuje pomocí shora zmíněného Breit-Wignerova vztahu. Vyskytují-li se v energetické závislosti účinného průřezu interakce rezonanční vrcholy a zároveň na Dalitzově diagramu energetické distribuce sekundárních částic jsou patrné lokální zhuštěniny a píky, je téměř jisté, že při interakci dochází k dynamickým procesům vzniku excitovaných stavů či intermediálních částic.
Chybějící energie 
  Pokud je studovaná interakce doprovázena vznikem neutrálních slabě interagujících částic, nelze tyto normálním způsobem detekovat. Zde je určitou možností rozbor energetické bilance: určíme energie a hybnosti ostatních částic a na základě zákona zachování energie a hybnosti určíme hodnoty energie a hybnosti, které neznámá částice odnáší. Z nich pak můžeme určit klidovou hmotnost neznámé částice.
.?..doplnit-další druhy diagramů+obrázky..?...

Vlastnosti a interakce nejdůležitějších elementárních částic
V tomto odstavci si stručně přiblížíme jednotlivé nejvýznačnější částice mikrosvěta, jejich původ a vznik při interakcích částic, jejich vlastnosti a hlavní způsoby, jak interagují mezi sebou a s dalšími částicemi. Při tomto stručném popisu vlastností elementárních částic se nebudeme držet výše nastíněné systematiky, ale budeme postupovat od známých, rozšířených a v praxi využívaných částic k "exotičtějším", méně známým a skrytějším částicím, jejichž význam pro stavbu a vlastnosti hmoty někdy ani není znám.

Fotony
jsou kvanta elektromagnetického záření. Mají nulovou klidovou hmotnost, pohybují se rychlostí světla *), jsou nositeli energie E = h.n, kde h je Planckova konstanta a n je frekvence elektromagnetické vlny o vlnové délce l = c/n. Jsou bosony se spinovým číslem 1. Podle zákonitostí elektrodynamiky fotony obecně vznikají při všech zrychlených pohybech elektricky nabitých částic (např. brzdné záření). Emitují se při deeexcitacích v atomových obalech (viditelné a UV záření, charakteristické X-záření - §1.1., pasáž "Záření atomů") a atomových jádrech (záření gama - §1.2, část "Záření gama"), kde odnášejí příslušný energetický rozdíl excitovaných stavů. Fotony záření gama dále vznikají při anihilacích pozitronů s elektrony e⁺+e^-®2g (§1.6, část "Interakce nabitých částic - přímo ionizující záření", obr.1.6.1 dole, pasáž "Interakce pozitronového (beta⁺) záření"), jakož i v řadě dalších interakcí elementárních částic. Zde budeme uvažovat většinou fotony vyšších energií - záření g.
*) Viz však teoretickou poznámku o možném vlivu kvantových fluktuací prostoročasu na rychlost tvrdého záření g v §1.6: "Pohybuje se vysokoenergetické g-záření pomaleji než světlo?".
  Interakce fotonů středních energií s látkou jsou popsány v §1.6, část "Interakce záření gama a X", jedná se především o fotoefekt, Comptonův rozptyl, tvorbu e^-e⁺-párů. Fotony vysokých energií (>10MeV) mohou svými interakcemi vyvolávat tzv. fotojaderné reakce, při nichž jsou z jader vyráženy neutrony, protony, popř. více nukleonů, deuterony, a-částice. Nad prahovou energií záření gama asi 140MeV pak při interakci vznikají další částice, např. p-mesony: g + p ® n + p⁺, g + p ® p + p^o, a pod. Při velmi vysokých energiích fotonů gama (>300MeV) může být generována řada dalších částic, včetně těžkých (srov. výše "Interakce částic vysokých energií").
  Fotony, jakožto kvanta elektromagnetického vlnění, fakticky zavedl A.Einstein v r.1905 při studiu fotoefektu (§1.1 "Atomy a atomová jádra", obr.1.1.1); vlastní název "foton" později navrhl americký chemik G.N.Lewis.

Elektrony a pozitrony
Elektrony e^-
jsou základními, skutečně elementárními, stabilními částicemi hmoty, které tvoří elektronový obal atomů. Elektron je nositelem záporného elementárního náboje e = 1,60219.10^-19C, jeho klidová hmotnost je m_e = 9,1095.10^-31kg (=511keV/c²), řadí se mezi leptony, je fermionem se spinem (1/2)h. Magnetický moment elektronu je e.h/4pm_e - tzv. Bohrův magneton. Podle představ současné kosmologie elektrony vznikly v nejranějších fázích vývoje vesmíru po velkém třesku, při oddělování elektromagnetické a slabé interakce. Kromě toho elektrony vznikají při řadě procesů a interakcí jiných elementárních částic, např. při b^--radioaktivitě n^o ® p⁺ + e^- + n_e´ a při mnoha dalších procesech, jak je vidět z níže popsaných interakcí ostatních částic. Kromě atomové a jaderné fyziky hrají elektrony klíčovou roli v jevech elektromagnetických, jejichž převážná většina je založena na pohybu elektronů, vytvářejících elektrický proud.

r. 1895: J.J.Thomson - objev elektronů => první model atomu
Elektron byl, jakožto vůbec první elementární částice stavby hmoty, objeven v r.1895 J.J.Thomsonem při studiu elektrických výbojů v plynech v katodové trubici.

Pozitron e⁺ 
je antičásticí k elektronu, má tudíž stejnou hmotnost a spin, elektrický náboj je stejné velikosti, ale opačného (kladného) znaménka. Ve vakuu je pozitron stabilní částicí, stejně jako elektron. Jakmile se však nachází v látkovém prostředí zaplněném atomy a tudíž i elektrony, zaniká v anihilační interakci s elektrony: e⁺ + e^- ® 2g (§1.6, část "Interakce nabitých částic - přímo ionizující záření", obr.1.6.1 dole, pasáž "Interakce pozitronového (beta⁺) záření"), přičemž vznikají dvě kvanta záření gama o energiích 511keV, rozlétající se v protilehlých směrech (pod úhlem 180°). Tato dokonalá úhlová korelace se s výhodou využívá v gamagrafickém zobrazení metodou pozitronové emisní tomografie v nukleární medicíně po aplikaci pozitronového beta⁺-radionuklidu, např. ¹⁸F (§4.3, část "Pozitronová emisní tomografie PET").
Pozn.: Tyto zákonitosti platí přesně jen v těžišťové vztažné soustavě pozitronu a elektronu. Energie fotonů 2x511keV je důsledkem zákona zachování energie (klidová energie elektronu i pozitronu je m_0e.c² = 511keV), protilehlý směr 180° je důsledkem zákona zachování hybnosti. Při srážkách pozitronů a elektronů vyšších energií by se úhel rozletu anihilačních fotonů lišil od 180°. V látkovém prostředí však pozitron a elektron mají v okamžiku, kdy dojde k anihilaci, již poměrně malé rychlosti, takže emitovaná kvanta vylétají skutečně téměř opačným směrem.
Pozitronium 
Těsně před vlastní anihilací elektron e^- a pozitron e⁺ mohou na chviličku kolem sebe obíhat (obíhají kolem společného těžiště) - utvoří zvláštní vázaný systém (podobný atomu vodíku) zvaný positronium (Ps). Rozměr "atomu" pozitronia je dvojnásobek atomu vodíku, vazbová energie pozitronia je 6,8 eV. Podle vzájemné orientace spinů elektronu a pozitronu může být pozitronium buď v singletním stavu ¹S₀ s opačně orientovanými spiny - tzv. parapozitronium p-Ps (1/4 případů), nebo v tripletním stavu ³S₁ se souhlasně orientovanými spiny - tzv. orthopozitronium o-Ps (3/4 případů).
  Tento systém pozitronia je však nestabilní, obě částice se za vyzařování elektromagnetických vln k sobě po spirále přibližují; u p-Ps za cca 120ps na sebe "dopadnou" a dojde k vlastní anihilaci na dva fotony g, každý o energii 511keV. V případě o-Ps je anihilace na dva fotony zakázána kvantovými výběrovými pravidly (souvisí se zákonem zachování spinového momentu hybnosti - každý z fotonů má spin 1), takže o-Ps by se ve vakuu rozpadalo s poměrně dlouhou dobou života cca 140ns emisí 3 fotonů se spojitým energetickým spektrem (celkovou energii 1022keV si fotony rozdělí stochastickým způsobem). V látce však pozitron vázaný v o-Ps daleko dříve stačí anihilovat s některým "cizím" elektronem z okolního prostředí, který má opačnou orientaci spinu - vznikají opět dva fotony g o energiích 511keV.
  Při anihilaci pozitronu s elektronem vznikají v naprosté většině případů 2 fotony gama, jak bylo výše uvedeno. Někdy jich však může vzniknout i více, avšak s velmi malou pravděpodobností (pravděpodobnost, že při e^-e⁺-anihilaci vznikne 2+n fotonů je úměrná a^-n, kde a=1/137 je konstanta jemné struktury). Pokud pozitron interaguje s elektronem vázaným v atomovém obalu, může být zánik takového páru doprovázen i vysláním pouze jediného fotonu, přičemž část energie a příslušná hybnost mohou být předány buď atomovému jádru nebo některému z ostatních elektronů; pravděpodobnost tohoto procesu je však velice malá a v praxi se neuplatňuje.
  Doba života pozitronů v látkách činí řádově stovky pikosekund. Přesná hodnota však záleží na lokálních elektronových hustotách a konfiguracích, čehož se využívá ve spektroskopické metodě PLS (Positron Lifetime Spectroscopy ....). Zkoumaný materiál se lokálně ozařuje b⁺- g zářičem (nejčastěji ²²Na), přičemž doba života pozitronů se stanovuje na základě měření zpožděných koincidencí mezi detekcí fotonu záření g z ozařujícího radionuklidu (u ²²Na je to g 1274 keV) a detekcí anihilačního fotonu g 511 keV.
  V pozemské přírodě se tudíž pozitrony za normálních okolností trvale nevyskytují, vznikají jen na kratičkou dobu při určitých interakcích elementárních částic a vzápětí (za cca 10^-10-10^-7s) opět anihilují s elektrony. Nejobvyklejším procesem, při němž vznikají pozitrony, je b⁺-radioaktivita způsobená přeměnou protonu p⁺ v jádře na neutron n^o, pozitron e⁺ a neutrino: p⁺ ® n^o + e⁺ + n_e (§1.2, část "Radioaktivita b⁺"). Pozitrony jsou dále poměrně častými produkty při interakcí částic při vysokých energiích (bude níže několikrát ukázáno) a při rozpadech mionů a pionů (viz níže "Miony m a tauony t"); takto se vyskytují v sekundárním kosmickém záření (viz pasáž "Kosmické záření" v §1.6). Pozitrony mohou vznikat i za pomoci záření gama: pokud má záření gama vyšší energii než 1022 keV, jedním ze způsobů jeho interakce s látkou je tvorba elektron-pozitronových párů (§1.6, část "Interakce záření gama a X", pasáž "Tvorba elektron-pozitronových párů").
Pro úplnost se zmíníme o jednom "exotickém", v praxi zatím neuskutečněném, způsobu vzniku pozitronů : 
Breit-Wheelerův proces produkce e⁺e^- párů 
Podle kvantové elektrodynamiky by dvojice elektron-pozitron teoreticky mohly vznikat i při srážce dvou fotonů g₁+g₂ ® e⁺+e^- ; je to inverzní proces k výše uvedené anihilaci pozitronu s elektronem: e⁺+e^-®2g (G.Breit a J.A.Wheeler ho navrhli již v r.1934). Tento dvoufotonový proces má však velmi malou pravděpodobnost (nepatrný účinný průřez), k jeho prokázání by bylo potřeba extrémně intenzívní kolimované svazeky fotonů gama o energii vyšší než 511keV; při detekci by pak hledaný efekt byl mnohonásobně překryt daleko silnějším sekundárním zářením - zatím se nepodařilo... Další možností fotoprodukce by mohl být tzv. multifotonový Breit-Wheelerův proces (...), při němž vysokoenergetické fotony při průchodu přes velmi silné elektromagnetické pole by se mohly rozpadat na elektron-pozitronové páry. Zde je určitá možnost realizace v blízké budoucnosti pomocí vysoce výkonných laserových systémů...
  Pozitron poprve pozoroval v r.1932 C.D.Anderson v kosmickém záření detekovaném pomocí Wilsonovy mlžné komory umístěné v magnetickém poli, kde se objevila stopa částice stejných ionizačních vlastností jako elektron, ale s opačným směrem stáčení v magnetickém poli, tedy "kladný" elektron.

Protony a neutrony
Protony a neutrony, souhrnně nazývané nukleony, jsou stavebními částicemi atomových jader. Jedná se o těžké částice ze skupiny baryonů, vykazují silnou interakci což je řadí mezi hadrony - jsou složeny ze 3 kvarků. Jsou přírodního původu - vznikly v "ohnivé peci" velkého třesku na počátku tzv. hadronové éry, v první miliontině sekundy existence vesmíru. Kromě toho vznikají při řadě procesů a interakcí jiných elementárních částic; při radioaktivních přeměnách b^-,+ dochází k vzájemným přeměnám neutronů a protonů (§1.2, pasáž "Mechanismus rozpadu b. Slabé interakce.").
  Protony, jakožto jádra vodíku, byly objeveny při studiu elektrických výbojů v plynech zhruba ve stejné době jako elektrony (koncem 19.stol.). Neutrony byly objeveny až v r.1932 J.Chadwickem při ostřelování jader berylia částicemi alfa (§1.1 "Atomy a atomová jádra", část "Stavba atomového jádra").
Proton p⁺ 
nese kladný elementární elektrický náboj stejné absolutní velikosti e jako elektron, jeho klidová hmotnost je m_p = 1,6726.10^-27kg = 1836,151 m_e = 938,256MeV/c². Magnetický moment protonu je e.h/4pm_p - tzv. jaderný magneton, který je 1836-krát menší než Bohrův magneton (zjednodušeně si to můžeme představit tak, že při stejném spinu a náboji těžký proton "rotuje pomaleji", než lehký elektron). Proton je stabilní částice (pomineme zde některé spekulace o možném rozpadu protonu *). Počet protonů v jádře (protonové číslo Z) určuje zároveň i počet elektronů a jejich energetické hladiny v obalu - a tudíž i "velikost" atomu a jeho chemické vlastnosti při slučování s dalšími atomy. Samotný proton tvoří jádro nejjednoduššího prvku - vodíku ¹H₁. S volnými protony se setkáváme v ionizované vodíkové plasmě a při jaderných reakcích, do nichž urychlené protony vstupují, nebo jsou jejich produkty. Protony jsou nejčastějším částicemi, které se pro účely jaderné fyziky urychlují v urychlovačích (viz níže kapitolu "Urychlovače nabitých částic"). Počet protonů v atomovém jádře udává protonové (atomové) číslo Z, které zároveň určuje počet elektronů v atomovém obalu a tím i chemické vlastnosti atomu - pozici prvku v Mendělejevově periodické tabulce.
*) Tzv. grandunifikační teorie připouštějí nestabilitu protonu, který by se měl rozpadat na miony či pozitrony a na jeden neutrální či dva nabité piony [p⁺ ® (m⁺ nebo e⁺) + (p^o nebo p⁺+p^-)] s dobou života řádově t_p»10³⁰-10³³ roků. Tento rozpad by byl způsoben přeměnou kvarku na lepton prostřednictvím bosonu X a vzhledem k obrovské hmotnosti bosonu X je jeho pravděpodobnost nesmírně malá. Experimenty zatím dávají odhady t_p>10³⁰ let. Tyto pokusy o pozorování rozpadu protonu se provádějí hluboko pod zemí (z důvodu odstínění kosmického záření), kde jsou umístěny velké nádrže s vodou, opatřené mnoha fotonásobiči, které by mohly zaregistrovat slabé záblesky způsobené průchodem rychlých částic vzniklých jako produkty rozpadu protonu. Nejdokonalejším zařízením tohoto druhu je Superkamioka-NDE v Japonsku, které sice nezaznamenalo žádný rozpad protonu, ale bylo velice úspěšné při detekci a spektrometrii neutrin (viz pasáž "Neutrina" v §1.2 "Radioaktivita").
Pozn.: Jiným hypoteticým a značně kuriózním mechanismem by mohl být rozpad protonu přes virtuální černou díru (§4.8 "Astrofyzikální význam černých děr" v monografii "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Černé minidíry vyzařují kvantovým Hawkingovým mechanismem částice, které jsou obecně jiné, než ty které černá díra pohltila; porušuje se zákon zachování baryonového čísla (§4.7 "Kvantové vyzařování a termodynamika černých děr" v téže knize). Pokud tedy dva kvarky v protonu spadnou do virtuální černé mikrodíry, je možné zpětné vyzáření např. antikvarku a leptonu, čímž se proton přemění na mion či elektron a pion.
Neutron n^o 
je elektricky neutrální, jeho klidová hmotnost m_n = 1,6748.10^-27kg = 1838,65 m_e = 939,55MeV/c² je o něco vyšší než u protonu. Ve stabilních atomových jádrech jsou neutrony stabilní, volný neutron (ve vakuu) se rozpadá s poločasem cca 13 minut b^--rozpadem n^o ® p⁺ + e^- + n'_e na proton, elektron a antineutrino. Rozdíl v hmotnosti neutronu a protonu činí asi 2,5-x hmotnost elektronu (tento rozdíl pochází z rozdílu hmotnosti kvarků "u" a "d" a z rozdílu vazebné energie). Avšak intermediální boson W, který přeměnu kvarků zprostředkovává, je asi 80-x hmotnější než proton nebo neutron, takže je zde vysoká potenciálová bariéra. Neutron se tedy, navzdory drobnému energetickému přebytku, nerozpadá okamžitě na proton, ale tunelové překonání této bariéry mu v průměru trvá těch 13 minut.
   S volnými neutrony se v pozemské přírodě běžně nesetkáváme, v horních vrstvách atmosféry jich menší množství vzniká při interakcích kosmického záření (§1.6, část "Kosmické záření"). Jsou však běžnými produkty jaderných reakcí a do jaderných reakcí též ochotně vstupují (§1.3, pasáž "Reakce vyvolané neutrony"). Intenzívními zdroji neutronů jsou jaderné reaktory, ať již štěpné (), nebo zatím pokusné fúzní termonukleární (§1.3, část "Štěpení atomových jader" a "Slučování atomových jader"). Jako laboratorní zdroje neutronů se konstruují specifické malé urychlovače nabitých částic (většinou deuteronů, s tritiovým terčíkem) zvané neutronové generátory (viz níže "Urychlovače nabitých částic", pasáž "Neutronové generátory"), nebo radioisotopové zdroje tvořené směsí a-zářiče s lehkým prvkem (jako je směs americia s beryliem, dochází k reakci a,n), či těžkým transuranovým radionuklidem (nejčastěji kalifornium 252), při jehož spontánním štěpení se uvolňují neutrony (§1.3, "Transurany").
Původ hmotnosti protonů a neutronů 
Protony a neutrony jsou mnohem těžší, než činí součet hmotností jejich kvarků. Např. proton má hmotnost 938MeV, zatímco hmotnost kvarku "u" je 2MeV a kvarku "d" 5MeV. Většina hmotnosti protonu proto pochází z kinetické energie vnitřního pohybu jeho kvarkových komponent. Vysvětluje se to na základě kvantových relací neurčitosti, podle nichž součin neurčitosti v poloze a hybnosti částice je větší než Planckova konstanta. Kvarky jsou v protonu či neutronu uzavřeny ("uvězněny") v prostorové oblasti o průměru cca 10^-13cm; tato vnuceně velmi malá neurčitost v poloze kvantově implikuje značnou hybnost a tím i kinetickou energii každého z kvarků, nejméně cca 200MeV. Bilance kinetické energie takových tří intenzívně kmitajících kvarků je přibližně ekvivalentní hmotnosti protonu.
  Kdyby všechny kvarky měly stejné hmotnosti, dalo by se čekat, že proton bude poněkud hmotnější než neutron, protože elektrický náboj protonu (který neutron nemá) přispívá k jeho vnitřní energii. Rozdíl v hmotnosti kvarků "u" a "d" (který se v unitárních teoriích polí a částic vysvětluje interakcí s Higgsovým polem - viz níže) však způsobuje, že neutron (u,u,d) je poněkud "těžší" než proton (u,d,d). Tento rozdíl hmotnosti způsobuje nestabilitu volného neutronu, jeho b-rozpad na proton, elektron a neutrino působením slabé interakce.
Antičástice k protonům a neutronům 
Antiproton p'^- se od protonu liší jen svým záporným nábojem a opačným směrem magnetického momentu, ve vakuu je rovněž stabilní částicí. Antineutron n'^o je neutrální částicí jako neutron, od něhož se liší jen opačnou orientací magnetického momentu, poločas jeho rozpadu ve vakuu je stejný jako u neutronu, rozpadá se podle schématu n'^o ® p'^- + e⁺ + n_e na antiproton, pozitron a neutrino.
   Antiprotony a antineutrony se v pozemské přírodě běžně nevyskytují, vznikají při interakci částic vysokých energií a zase pak zanikají interakcemi s nukleony. Vzhledem k zákonu zachování baryonového čísla mohou být antinukleony produkovány pouze v párech společně s nukleony. Nejobvyklejší způsob produkce antiprotonů p' je v reakcích
p + p ® 2p + p + p' , resp. p + n ® 2p + n + p' ,
přičemž prahová kinetická energie ostřelujícího protonu (v laboratorní terčíkové soustavě) činí asi 5,6GeV, resp. 3,6GeV; pokud však tato interakce probíhá při ostřelování jádra, může být prahová energie produkce antiprotonů i nižší (kolem 3GeV). Antineutrony vznikají v podobných reakcích p + p ® 2p + n + n' , resp. p + n ® p + 2n + n', dále pak v reakcích antiprotonů p' + p ® n + n', p' + n ® n + n' + p^-.
  Při interakcích antinukleonů jsou nejdůležitěší interakce (p',p) antiprotonů s protony. Při vysokých energiích zde mohou vznikat i další těžké částice jako jsou hyperony, což bude zmíněno níže. Při nízkých energiích antiprotonů nebo při jejich zastavení (viz níže) dochází k zániku nukleonových párů s produkcí mezonů, kvant gama, popř. dochází k reakci p'+p®n+n' ("výměna náboje"). Zánik párů (p',p) je silnou interakcí, při níž nejčastěji vznikají mezony p *) (jen v malém procentu mezony K); nejmenší počet vzniklých mezonů vzhledem k zákonu zachování hybnosti jsou 2 mezony p, většinou jich však vniká více, nejčastěji 5 mezonů - typická interakce tohoto druhu je: p' + p ® 2p⁺ + 2p^- + p^o .
*) Vznik mesonů p při anihilaci antiprotonu s protonem je důsledkem kvarkové struktury: antikvarky v antiprotonu a kvarky v protonu se spojují do dvojic kvart-antikvark, což jsou mesony.
  Při vniknutí antiprotonu do látky dochází vlivem elektromagnetické interakce k ionizaci atomů, podobně jako u každé jiné nabité částice, čímž se antiproton brzdí a zpomaluje. Během tohoto zpomalování může antiproton zaniknout při interakci s jádrem, avšak může se zpomalit (či téměř zastavit) natolik, že může být zachycen protonem (vodíkovým jádrem) - vzniká nový "exotický atom", zvaný protonium, sestávající z protonu a antiprotonu obíhajících kolem společného těžiště. Podobně může být zachycen i jiným těžším jádrem na některé vyšší dráze (odkud vyrazil elektron) a při svém oběhu pak přechází na nižší dráhy, což je doprovázeno emisí buď fotonů X-záření, nebo Augerových elektronů. Nakonec je pohlcen jádrem a zanikne intrakcí s protonem či neutronem za vzniku pionů.
Antihmota 
Antiproton, kolem něhož obíhá pozitron, tvoří atom "antivodíku", který má analogické vlastnosti jako obyčejný vodík. Antiprotony a antineutrony mohou vytvářet "anti-atomová jádra", kolem nichž mohou obíhat pozitrony v úplně stejných konfiguracích jako je tomu u příslušných obyčejných atomů - jedná se o "antiatomy", které by v rámci "antisvěta" měly úplně stejné chemické i spektroskopické vlastnosti jako naše atomy - tvořily by antihmotu - (bylo diskutováno výše, pasáž "Antičástice, antihmota, antisvěty").
  Antiproton byl objeven v r.1955 na urychlovači v Berkeley při ostřelování měděného terčíku protony urychlenými na 6,2GeV. V r.1956 byl objeven antineutron na témže urychlovači: se stejnou energií byl protony ostřelován beryliový terčík a vzniklé antiprotony byly vedeny do soustavy scintilátorů a Čerenkovova detektoru zapojených v antikoincidenci, kde reakcí p'+p®n+n' s vodíkovými jádry vznikaly antineutrony, které při interakci s nukleony v Čerenkovově detektoru byly registrovány jako intenzívní záblesky.

Neutrina a antineutrina (podrobněji viz odkaz "Neutrina - "duchové" mezi částicemi")
Jsou to všudypřítomné, avšak téměř nepolapitelné částice. Neutrina n a antineutrina n' jsou nejlehčí a nejslaběji interagující ze všech známých druhů elementárních částic - náleží mezi leptony. Jsou to fermiony se spinovým číslem 1/2, nenesou elektrický náboj, nevykazují silnou interakci, ale pouze slabou interakci (a univerzální gravitační interakci, která nás zde z hlediska fyziky elementárních částic nezajímá, může však mít určité kosmologické důsledky). Rozeznáváme tři druhy neutrin: neutrino elektronové n_e, mionové n_m a tauonové n_t, které se však mohou spontánně vzájemně přeměňovat při tzv. oscilaci neutrin. Neutrino jako takové je mixáží vlastních stavů ektronového, mionového a tauonového neutrina a proto dochází k periodické přeměně jednoho neutrina na druhé.
Elektronová neutrina vznikají typicky při vzájemných přeměnách neutronů a protonů b^-,+-rozpadem: n^o ® p⁺ + e^- + n'_e, p⁺ ® n^o + e⁺ + n_e, mionová a tauonová neutrina pak při rozpadu mionů a tauonů: m^- ® e^- + n'_e+ n_m, t^- ® n_t + e^- + n'_e, t^- ® n_t + m^- + n'_e, ...... Neutrina kromě toho vznikají v řadě vzájemných interakcí elementárních částic, v nichž se uplatňují slabé interakce. Velké množství neutrin vzniká při termojaderných reakcích v nitru Slunce a hvězd, odkud díky své velmi slabé interakci snadno pronikají ven a jsou vyzařovány do okolního prostoru. Zvláště silný "záblesk" neutrinového záření vzniká při výbuchu supernovy - viz §4.2 "Konečné fáze hvězdné evoluce. Gravitační kolaps" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu". Ve vesmíru se nachází i obrovské množství tzv. reliktních neutrin pocházejících z leptonové éry vesmíru těsně po velkém třesku. Neutrina patří, spolu s fotony, mezi nejhojnější částice ve vesmíru. Vlastnosti neutrin, jejich vznik, metody detekce a příp. kosmologický význam neutrin, jsou podrobněji popsány v §1.2 "Radioaktivita", část "Neutrina - "duchové" mezi částicemi".
  Neutrina byla jako hypotetické částice zavedena W.Paulim r.1930 při studiu energetické bilance b-rozpadu (viz §1.2, část "Radioaktivita beta", obr.1.2.3), jejich název a specifikace vlastností pocházejí od E.Fermiho. Experimentálně byla neutrina prokázána až v r.1956 experimenty nastíněnými ve zmíněném odkazu "Neutrina".

Miony m a tauony t
Miony m^- a m⁺
(jsou to vzájemně antičástice), označované též jako "těžké elektrony", jsou středně těžké částice s hmotností m_m = 206 m_e, nesou záporný nebo kladný elektrický náboj stejné velikosti jako je elementární náboj elektronu; neexistují neutrální miony bez elektrického náboje. Miony jsou nestabilní částice, které se s poločasem »2.10^-6s rozpadají na elektron, resp. pozitron, a dvě neutrina: m^- ® e^- + n'_e+ n_m , m⁺ ® e⁺ + n_e+ n'_m. Tento rozpad má charakter slabé interakce a je podobný radioaktivnímu rozpadu beta; rovněž energetické spektrum vznikajících elektronů nebo pozitronů je zde spojité, maximální energie činí »53MeV.
  Miony se v pozemské přírodě vyskytují v sekundárním kosmickém záření (viz pasáž "Kosmické záření" v §1.6). Vznikají ve vyšších vrstvách atmosféry (nad 10km) při srážkách protonů a dalších částic primárního kosmického záření s protony a neutrony jader dusíku a kyslíku v atmosféře. V těchto primárních srážkách vznikají nejdříve p-mezony, které se během cca 2,5.10^-8s rozpadnou na miony, které se s kinetickou energií cca 4MeV pohybují relativistickou rychlostí. Vzhledem ke své době života »2.10^-6sekundy by podle klasické mechaniky mion uletěl jen zhruba 500metrů a pak se rozpadl - na povrch Země by tedy prakticky žádné miony neměly dopadnout. Díky relativistické dilataci času však mion z hlediska pozorovatele na Zemi "žije déle" a má dost času, aby dopadl na povrch Země. Tento experimentální fakt, že mion uletí dráhu 20-krát delší než by v klasické mechanice odpovídalo jeho době života, je přesvědčivým důkazem efektu zpomalování toku času podle speciální teorie relativity.
  Nejčastější způsob vzniku mionů je při rozpadu p-mezonů: p^- ® m^- + n'_m , p⁺ ® m⁺ + n_m (viz následující pasáž "Mezony p a K"). Interakce mionů s nukleony probíhají podle schématu: m^- + p ® n + n_m , m⁺ + n ® p + n_m , .....
  Vnikne-li záporný mion m^- do látky, může být (po svém zpomalení ionizací) zachycen Coulombovým polem jádra a vytvořit svéráznou vázanou soustavu podobnou atomu - tzv. mionový atom nebo mezoatom. Kladný mion m⁺ prolétající látkovým prostředím může zase zachytit elektron a vytvořit nestabilní vázanou soustavu mionu m⁺ a obíhajícího elektronu e^-, zvanou mionium; je to soustava analogická pozitroniu a má strukturu podobnou vodíkovému atomu.
  Mion m byl objeven v r.1936 C.D.Andersonem a S.H.Neddermeyerem při studiu kosmického záření ve Wilsonově mlžné komoře (podobně jako pozitron).
Pozn. :
Z hlediska standardního modelu částicové fyziky stojí za zajímavost gyromagnetický moment mionů, který má ..... anomální ......... (je diskutováno níže v pasáži "g-2 experiment").
Tauony t^- a t⁺
(jsou to vzájemně antičástice), označované též jako "supertěžké elektrony", jsou velmi těžké částice s hmotností m_t » 3484m_e » 1177MeV/c², nesou záporný nebo kladný elektrický náboj stejné velikosti jako je elementární náboj elektronu. Tauony jsou vysoce nestabilní částice, které se s poločasem »3.10^-13s rozpadají na elektron nebo mion a dvě neutrina: t^- ® e^- + n'_e+ n_t , t^- ® m^- + n'_m+ n_m. Vzhledem ke své vysoké klidové hmotnosti jsou však tauony schopné rozpadat se i na hadrony, především piony p^-, p⁺, p^o a taunová neutrina, např. t^- ® p^- +n_t , t^- ® p^- + p^o + n_t , t^- ® p^- + p⁺ + p^- +n_t , etc. .
  Tauon t byl objeven v letech 1974-77 týmem pod vedením M.Perla při experimentech s vysokoenergetickými srážkami pozitronů a elektronů ve vstřícných svazcích urychlovače ve Stanfordu. Při srážkách elektronů s pozitrony docházelo ke vzniku dvojic t⁺ a t^-, které se rozlétly jen na krátkou vzdálenost (cca 1mm) a vzápětí se rozpadaly na elektrony, miony a neutrina. Vznik tauonů byl prokázán na základě detekce nabitých částic, analýzou jejich energií a úhlového rozložení (metodikou zmíněnou výše "Analýza dynamiky interakcí částic").

Mesony p a K
p-mesony (nazývané též piony)
jsou nejčastějším druhem nových sekundárních částic, vznikajících částicovými interakcemi při vysokých energiích převyšujících cca 300MeV; při ještě vyšších energiích (nad »1GeV) pak vznikají i K-mesony a hyperony.
  Mesony p a K mají následující společné vlastnosti: jsou to středně těžké částice se spinem 0 (patří tedy mezi bosony), vykazují silné interakce (jsou hadrony) a jsou nestabilní. Podle standardního modelu částic jsou tvořeny vázaným kvarkem a antikvarkem.
  Nabité mesony p^- a p⁺, které jsou vzájemně antičásticemi, nesou záporný či kladný elementární náboj stejné velikosti jako elektron, mají klidovou hmotnost »2,4898.10^-25g » 273m_e » 140MeV/c² a s poločasem »2,55.10^-8s se rozpadají (slabou interakcí) na miony a neutrina: p^- ® m^- + n'_m , p⁺ ® m⁺ + n_m (miony se pak dále rozpadají na elektrony a neutrina). Při tomto rozpadu se uvolňuje kinetická energie (m_p-m_m).c² » 34MeV, z čehož mion m odnáší menší část cca 4,2MeV a zbytek kinetické energie necelých 30MeV získává mionové neutrino n_m.
Vedle částicových interakcí v urychlovačích vznikají piony na kratičký okamžik v horních vrstvách atmosféry při interakcích vysokoenergetických protonů z primárního kosmického záření s nukleony v jádrech dusíku, kyslíku a uhlíku; vzápětí se rozpadají na miony (viz pasáž "Kosmické záření" v §1.6).
  Neutrální meson p^o má klidovou hmotnost »264m_e » 135MeV/c² a s velmi krátkým poločasem »0,9.10^-16s se rozpadá (elektromagnetickou interakcí) na dvě kvanta gama: p^o ® g + g.
Pozn. : Z hlediska vnitřní struktury jsou mesony vázaným systémem kvark-antikvark. Tento systém je však nestabilní a jeho rozpad můžeme zjednodušeně chápat jako proces "anihilace" kvark-antikvarkové dvojice; buď slabou interakcí přes intermediální boson W^±, nebo elektromagneticky přímo na kvanta g (srov. příslušný Feynmanův diagram na obr.1.5.1). Je to trochu analogické jako u výše zmíněného pozitronia, které je též nestabilním vázaným stavem dvojice částice-antičástice (e^--e⁺), které anihilují na kvanta g.
   p-mesony sehrály pestrou a zajímavou úlohu v historii jaderné fyziky. Dlouhou dobu (40.-70.léta) byly považovány za výměnné částice, zprostředkovávající silné jaderné interakce krátkého dosahu protonů a neutronů v jádrech atomů (pochází od H:Yukawy). Zdála se tomu nasvědčovat i skutečnost, že při vysokoenergetických srážkách protonů a neutronů pravidelně vznikají piony. Idea p-mezonů jako nositelů silné intrakce se však nakonec neosvědčila. Ukázalo se, že podstata silné interakce leží hlouběji - tkví ve vnitřní kvarkové struktuře protonů a neutronů. Při interakcích protonů a neutronů vznikají piony nikoli jako výměnné částice, ale proto, že p-mesony jsou lehčí a jednodušší částice složené rovněž z kvarků (a jejich antičástic), stejně jako nukleony. Přesto však jsou p-mesony nejdůležitější ze všech nestabilních "exotických" částic; mohou mít dokonce praktické využití, viz např. §3.6, část "Hadronová radioterapie".
Mesony K,
zvané též kaony, jsou více než 3-krát těžší než p-mesony.
  Nabité mesony K⁺ a K^-, které jsou vzájemně antičásticemi, nesou kladný či záporný elektrický náboj stejné velikosti jako elektron, mají klidovou hmotnost »966,6m_e » 494MeV/c² a s poločasem »1,24.10^-8s se rozpadají na p-mesony, miony a neutrina: K⁺®p⁺+p^o, K⁺®m⁺+n, K⁺®p⁺+p⁺+p^-, K⁺®p⁺+p^o+p^o, K⁺®p^o+m⁺+n, K⁺®p^o+e⁺+n; analogicky (sdruženě) i K^-.
  Neutrální meson K^o má hmotnost »974,2m_e » 498MeV/c² a velmi rychle se rozpadá na p-mesony a též na miony, elektrony a neutrina dvěma druhy rozpadů:
dvoučásticové rozpady: K^o®p⁺+p^-, K^o®p^o+p^o, - (poločas »0,9.10^-10s);
tříčásticové rozpady: K^o®p^o+p^o+p^o, K^o®p⁺+p^-+p^o, K^o®p^+,-+m^-,++n, K^o®p^-,++e^+,-+n, - (poločas »5,7.10^-8s).
  To, že se meson K^o rozpadá s dvěma různými poločasy a různými pochody, lze vysvětlit předpokladem, že meson K^o je kvantovou "směsí" dvou neutrálních částic K^o_L ("Long") a K^o_S ("Short"), které mají různé doby života a různá schémata rozpadu. Tyto skutečnosti se interpretují tak, že pozorovaný meson K^o je vnitřně "směsí" či superpozicí K^o a jeho antičástice K'^o. Mezi těmito dvěma stavy neutrální kaon spontánně "osciluje".
Interakce mesonů p a K
Mesony p^- a p⁺ interagují při nízkých energiích s nukleony především reakcemi: p^- + p ® n + g, p⁺ + n ® p + g, při vysokých energiích pionů pak dochází i ke sdružené produkci kaonů, hyperonů a antihyperonů, např. p^- + p ® K⁺ + K^- + n, p^- + p ® L + K^o, a pod. - další reakce viz níže v odstavci o hyperonech.
  Při interakci s látkou mohou být p^--mesony (po příslušné zabrzdění ionizačními ztrátami energie) zachycovány na orbitě kolem jádra (podobně jako elektrony v atomu), takže na na velmi krátkou dobu se vytvoří mesoatom s pionem p^-, který je pak pohlcen jádrem a tam se sloučí s protonem (p^-+p®n+g).
Vznik mesonů p a K
p-mesony vznikají především jako nové sekundární částice při interakcích protonů s nukleony, pokud kinetická energie v laboratorní (terčíkové) soustavě je vyšší než 2.m_p.c² » 300MeV. Reakcí tohoto typu může být několik:
p+p ® p+n+p⁺, p+p ® p+p+p^o, p+n ® n+n+p⁺, p+n ® p+p+p^-,
p+n ® p+n+p^o, n+n ® n+p+p^-, n+n ® n+n+p^o , ....,
přičemž tyto reakce mohou probíhat jak na volných nukleonech, tak na nukleonech vázaných v jádře. Piony mohou být také produkovány fotojadernými reakcemi tvrdého záření gama: g+p ® n+p⁺, g+p ® p+p^o, jejichž prahová energie záření gama činí zhruba m_p.c² » 140MeV.
  Mesony K vznikají tzv. asociovanou produkcí ve dvojicích buď spolu, nebo ve dvojicích s hyperony, a to buď při vzájemných interakcích nukleonů, nebo p-mesonů s nukleony. Příklady takových interakcí jsou: p+p ® L+K⁺+p, p^-+p ® K⁺+K^-+n, p^-+p ® L+K^o, atd.; další kombinace s hyperony jsou uvedeny v následujícím odstavci.
Podivnost částic 
Uvedené mezony K, jakož i níže zmíněné hyperony, mají některé zvláštní - "podivné" - vlastnosti, s nimiž se nesetkáváme u ostatních částic. Jedná se o nesymetrie při produkci a rozpadu těchto částic. Tyto částice vznikají ve vysokoenergetických hadronových srážkách s vysokou pravděpodobností - párová produkce silnou interakcí. Jejich rozpad však většinou probíhá poměrně pomaleji (řádově 10^-10s) pomocí slabé interakce. K vysvětlení této situace byla zavedena nová veličina či (aditivní) kvantové číslo nazvané podivnost S (Strange - pro běžné částice je S=0, podivné částice mají S=±1,±2, hyperon W dokonce S=-3), které se zachovává při silných interakcích, ale při slabých interakcích se nezachovává. Je tím vysvětleno, že při silných interakcích běžných částic vznikají podivné částice ve dvojicích, jejichž součet podivnosti je nulový, avšak slabou interakcí se podivné částice mohou rozpadat i na částice bez podivnosti.
  Pro vysvětlení v rámci kvarkového modelu hadronů byl zaveden nový kvark "s" (strange), který je nositelem podivnosti; s má podivnost S=-1, antikvark s' má S=1, ostatní kvarky S=0. Přítomnost kvarku "s" v dvoukvarkové kombinaci je charakteristická pro podivné mezony K, pokud se "s" vyskytuje v tříkvarkové kombinaci, jedná se o hyperony - obr.1.5.3.

Hyperony
Nejtěžší dosud známé částice (kromě tauonů), vznikající při částicových interakcích za vysokých energií, jsou hyperony. Všechny hyperony jsou fermiony, většinou se spinem 1/2, s výjimkou W^- který má spin 3/2. Všechny hyperony jsou dále hadrony vykazující silnou interakci a jsou to částice vysoce nestabilní s velmi krátkou dobou života. Známe 7 druhů hyperonů (+ jejich antičástice), které zde stručně vyjmenujeme :
Hyperon L^o je elektricky nenabitý, má hmotnost »2183m_e » 1116MeV/c², dobu života »2,5.10^-5s a rozpadá se podle schémat: L ® p + p^- (66%), L ® n + p^o (34%).
Hyperon S⁺ s kladným elementárním nábojem má hmotnost »2327m_e » 1189MeV a s poločasem »0,8.10^-10s se rozpadá na nukleony a piony: S⁺ ® p + p^o, S⁺ ® n + p⁺.
Hyperon S^- se záporným elementárním nábojem má hmotnost »2340m_e » 1197MeV a s poločasem »1,65.10^-10s se rozpadá na neutron a pion: S^- ® n + p^-.
Hyperon S^o bez elektrického náboje má hmotnost »2332m_e » 1193MeV a s velmi krátkým poločasem blízkým 10^-20s se rozpadá na hyperon lambda a foton gama: S^o ® L + g.
Hyperon X^- se záporným nábojem má hmotnost »2585m_e » 1321MeV a s poločasem »1,7.10^-10s se rozpadá na hyperon lambda a pion: X^- ® L + p^-.
Hyperon X^o bez elektrického náboje má hmotnost »2566m_e » 1315MeV a s poločasem »3.10^-10s se rozpadá na hyperon lambda a pion: X^o ® L + p^o.
Hyperon W^- se záporným nábojem má hmotnost »3405m_e » 1675MeV/c² a s poločasem »1,5.10^-10s se rozpadá na hyperony a mesony: W^- ® X^o,- + p^-,o, W^- ® L + K^-.
Pozn.: Ve velmi malém procentu případů byly pozorovány i další možnosti rozpadu hyperonů, např. L®p+e^-+n, S⁺®p+g, X^o®p+p^-, a řada dalších.
Hyperjádra 
  Hyperony vykazují silné interakce, takže mohou vstupovat do jader a být tam navázány jadernými silami - vznikne tzv. hyperjádro či hyperfragment. V typickém hyperjádře je jeden z neutronů nahrazen hyperonem L^o; takové hyperjádro se pak značí ^NA_L. Např. v jaderných emulzích ozařovaných mesony K^- z urychlovače byla pozorována hyperjádra ⁹Be_L. Hyperjádra jsou nestabilní útvary, které se rozpadají dvojím způsobem: mesonovým rozpadem nebo nukleonovým rozpadem. Při mesonovém způsobu se hyperon L uvniř jádra rozpadne podle schématu L®p+p^-, nebo L®n+p^o, takže např. hyperjádro ⁹Be_L se rozpadne na meson p^-, proton p⁺ a jádro ⁸Be₄ (které se pak v tomto případě rozpadá na dvě alfa-částice ⁴He₂). Při nukleonovém rozpadu dochází k reakcím L+p®p+n, nebo L+n®n+n, takže např. zmíněné hyperjádro ⁹Be_L by se rozpadlo způsobem: ⁹Be_L®⁴He+³He+n.
Antihyperony 
Podobně jako k nukleonům existují antinukleony, i ke každému z uvedených hyperonů existuje příslušný antihyperon (všechny tyto hyperony jsou samostatné, nejsou vzájemně antičásticemi jako je to kupř. u mesonů p^- a p⁺ či m^- a m⁺). Podle principu nábojové symetrie mají antihyperony stejné hmotnosti, spin a dobu života jako hyperony, avšak opačná znaménka el. náboje, baryonového čísla a magnetického momentu. Rozpadová schémata antihyperonů jsou rovněž nábojově sdružená s rozpadovými schématy hyperonů a rovněž i reakce částic, při nichž antihyperony vznikají, jsou analogické jako u hyperonů (dochází často k "asociované" produkci hyperonů a antihyperonů či mesonů - viz níže). Je třeba mít na paměti, že antihyperony k nabitým hyperonům mají opačná znaménka el. náboje, např. antihyperon S'^- má kladný jednotkový náboj, takže přesněji bychom jej mohli označit jako (S'^-)⁺.
  Hyperony vznikají při interakcích protonů, antiprotonů, p a K mesonů s nukleony při vysokých energiích (>»5GeV), přičemž v silných interakcích typu (nukleon+nukleon) nebo (p+nukleon) vznikají současně dvě částice ze skupiny mesonů a hyperonů (meson+meson, meson+hyperon, hyperon+antihyperon) - dochází ke sdružené či asociované produkci hyperonů, antihyperonů a mesonů, např.:
p + p ® 2p + L + L' , p + p ® p + L + K⁺ ,
............
.............
.............
K^- + p ® W^- + K^-+ K^o ,
  Dráhy hyperonů, resp. jejich rozpadových produktů, jsou pozorovány ve Wilsonových mlžných komorách, jaderných fotoemulzích a bublinových komorách. Již v r.1947 pozorovali G.D.Rochester a C.C.Butler při studiu kosmického záření ve Wilsonově mlžné komoře dráhy dvou částic vylétajících z jednoho bodu - další výzkumy ukázaly, že šlo o meson K^o rozpadající se na mesony p^- a p⁺ a o hyperon L rozpadající se na proton p⁺ a meson p^-. Když pak urychlovače s dostatečně velkou energií umožnily vytvářet svazky protonů a mesonů p, byly při studiu jejich interakce v bublinových komorách a fotoemulzích objeveny všechny další hyperony a zákonitosti jejich asociované produkce s mesony K.

Rezonance
Vznikají při některých interakcích vysokoenergetických částic (jako je p^+,- + p⁺ ® p^+,- + p⁺, nebo interakce protonu s antiprotonem za vzniku několika p-mezonů) a okamžitě se rozpadají, jejich doba života činí asi 10^-23 až 10^-20 sekundy. Projevují se vlasně jen výrazným rezonančním maximem v energetické závislosti účinného průřezu dané interakce, nebo zhuštěninami a píky na Dalitzově diagramu energií sekundárních částic, které naznačují vznik nějakého dočasně vázaného stavu. Rozeznáváme baryonové rezonance a mezonové rezonance (jako je mezon r nebo některé druhy mezonů *K). Rezonance se mnohdy ani za zvláštní částice nepovažují, označují se jako kvazičástice. Jsou to spíše jen dočasně excitované stavy vzniklé při interakci dvou či více baryonů nebo mezonů, které se rozpadají okamžitě, jakmile vyletí za hranice oblasti silné jaderné interakce, v níž vznikly. Vzhledem k extrémně krátké době života nemají patrně žádný význam pro stavbu a vlastnosti hmoty. Jejich studium je však důležité pro lepší proniknutí do subnukleární struktury hadronů, jejich kvarkové struktury a pochopení vlastností silných interakcí v rámci kvantové chromodynamiky (QCD). Některé mezonové a baryonové rezonance jsou vyznačeny níže na kvarkovém diagramu na obr.1.5.3.

Bosony W^-, W⁺, Z⁰
Tyto bosony jsou intermediální částice zprostředkující slabou interakci (Weak int.) v rámci Weinbergova-Salamova modelu sjednocení elektromagnetické a slabé interakce.
  W^- a W⁺ nesou záporný a kladný elementární náboj stejné velikosti jako elektron, mají hmotnost »82GeV/c², jsou vzájemně svými antičásticemi. W-bosony zprostředkovávají vzájemné b-přeměny neutronů a protonů (podle schématu na obr.1.2.5 v §1.2 "Radioaktivita", pasáž "Mechanismus rozpadu b. Slabá interakce."). Při této radioaktivitě beta^- a beta⁺ způsobují W^-,+ -bosony vzájemné přeměny kvarků "u" a "d" uvnitř nukleonů, přičemž samotné W zůstávají virtuální - okamžitě se rozpadají na výsledný kvark, elektron či pozitron a neutrino.
  Neutrální Z⁰ boson má hmotnost »93GeV, je svou vlatní antičásticí. Má menší důležitost než W, v pozemské přírodě ani v nynějším vesmíru se příliš neprojevuje. Patrně se však významněji uplatňoval ve vysoenergetických procesech v extrémních podmínkách velmi raného vesmíru (příp. i při výbuchu supernov..?..) - může zprostředkovávat vzájemné interakce mezi neutriny (§1.2, pasáž "Interakce neutrin s částicemi a hmotou").
  Pokud W či Z vzniknou při vysokoenergetické interakci částic jakožto "reálné částice", jsou vysoce nestabilní (s dobou života cca 3x10^-25 sec.)*) a vzápětí se rozpadají na leptony a neutrina; typicky: W^-® e^- + n', W⁺® e⁺ + n, Z^o® m⁺ + m^- (nebo e⁺ + e^-). Nebo na kvarky a antikvarky. Při velmi vysokých energiích je řada dalších možností jejich interakcí, včetně produkce těžkých částic jako jsou Higgsovy bosony. Feynmanovy diagramy některých důležitých interakcí bosonů W^±,Z⁰ jsou zakresleny na obrázcích 1.5.1.D,F,G,H,I. Částicové interakce způsobené výměnou nabitých intermediálních bosonů W^+,- se někdy označují jako "slabé nabité proudy", reakce způsobené nenabitým Z^o bosonem jako "slabé neutrální proudy".
*)  Částice s tak krátkou dobou života nemohou být nijak přímo experimentálně detekovány (rozpadnou se dříve než stihnou vyletět z místa interakce, do žádného detektoru nedoletí...). Mohou být detekovány pouze zplodiny jejich rozpadu. Neutrina naše detektory u urychlovačů nejsou schopny zaznamenat vůbec (nemají elektrický náboj a téměř s ničím neinteragují), mohou být jen nepřímo prokázány tím že změříme v celkové bilanci energie a hybnosti určitou hodnotu chybějící energie nebo hybnosti.
  Intermediální bosony W^-,W⁺,Z^o byly nepřímo experimentálně prokázány v r.1983 při interakcích ve vstřícných proton-antiprotonových svazcích 270GeV«270GeV Super Proton Synchrotronu v CERN.

Hypotetické a modelové částice
Nakonec zde letmo zmíníme i některé "exotické" částice, které by měly existovat podle určitých více či méně ověřených teorií a modelů, avšak nebyly dosud přímo experimentálně prokázané - zůstávají částicemi hypotetickými.
Kvarky
jsou modelové "stavební" částice hadronů (jak je nastíněno níže - "Kvarková struktura hadronů"). Kvarky jsou fermiony se spinem 1/2 a nesou třetinový elektrický náboj -(1/3)e, +(2/3)e. Bylo zavedeno celkem 6 druhů kvarků, každý má svou antičástici - antikvark. Jednotlivé kvarky a kvarkový model hadronů je stručně popsán níže. Kvarky jsou primárními nositeli silné interakce, zprostředkované gluony. Zároveň však mohou podléhat vzájemným vnitřním transmutacím za působení slabé interakce, zprostředkované intermediálními bosony W^-,W⁺,Z^o (hlavním projevem této transmutace kvarků je radioaktivita b, viz obr.1.2.5). Volné kvarky nebyly nikdy pozorovány - viz následující odstavec "Gluony" a níže pasáž "Kvark-gluonová plasma".
Gluony (angl. glue=klih, lepidlo - drží kvarky "slepeny" pohromadě v hadronech)
jsou částice, které zprostředkovávají silné interakce mezi kvarky (a svými "zbytkovými projevy" i jaderné interakce mezi nukleony). Jsou to bosony se spinem 1, mají nulovou klidovou hmotnost, nemají elektrický náboj, nesou však tzv. "barevný náboj" *), charakterizující různé druhy kvarků. Podobně jako foton, nemá gluon antičástici (je svou vlastní antičásticí). Gluonová interakce kvarků má zvláštní vlastnosti. Pokud mají kvarky vysokou energii a jsou blízko u sebe, gluonová interakce téměř nepůsobí a kvarky se chovají jako volné částice - tzv. asymptotická volnost. Avšak když se kvarky od sebe vzdálí na cca 10^-13cm, začnou gluonové interakce intenzívně působit a silně svazují kvarky k sobě - dochází k "uvěznění" kvarků v hadronech. Další diskuse je níže v pasáži "Kvark-gluonová plasma".
*) Foton, který zprostředkovává elektromagnetickou interakci, sám nenese náboj této interakce (elektrický náboj); fotony mezi sebou neinteragují. Gluony však nesou "barvu" - náboj silné interakce, takže mohou mezi sebou interagovat. Mohly by teoreticky vytvářet i vázané systémy - tzv. gluonium.
Preony - jsou hypotetické sub-kvarkové částice, z nichž by se mohly skládat kvarky (viz níže pasáž "Preonová hypotéza").
Gravitony
jsou kvanta gravitačního vlnění. Gravitační vlny předpovídá obecná teorie relativity jakožto fyzika gravitace a prostoročasu; jsou řešením Einsteinových rovnic gravitačnho pole, podobně jako z Maxwellových rovnic elektrodynamiky plyne existence elektromagnetických vln. Gravitační vlny se od elektromagnetických liší jednak svým velmi nepatrným působením na látku, jednak svým tzv. kvadrupólovým charakterem. Hypotetický graviton má nulovou klidovou hmotnost, pohybuje se rychlostí světla, jeho spinové číslo je 2.
  Gravitační vlny se již podařilo přímo detekovat, i když je to na hranicích současné experimentální techniky. Na experimentální prokázání gravitonů není naděje v dohledné budoucnosti. O gravitačních vlnách pojednává podrobně §2.7 "Gravitační vlny" v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu". Skeptická poznámka k reálnosti existence gravitonů je tam v pasáži "Gravitony - kvanta gravitačního vlnění?".
Higgsovy bosony
- jsou to kvanta tzv. Higgsova-Kibleova *) skalárního pole, které se v kalibračních unitárních teoriích pole zavádí do lagrangiánu za účelem tzv. spontánního narušení symetrie elektroslabé interakce (viz např. §B.6 "Sjednocování fundamentálních inetrakcí" v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Toto pole vede též k tomu, že některé intermediální bozony získají hmotnost (klidovou) a příslušné interakce se stanou silami krátkého dosahu - jsou to především W a Z bosony (elektro)slabé interakce. V tomto Higgsově mechanismu klidová hmotnost částic vzniká interakcí s všude přítomným Higgsovým polem, které proniká celým vesmírem; čím je interakce dané částice s tímto polem silnější, tím má větší hmotnost. Některá kvanta, jako fotony, toto pole neovlivňuje a proto nemají žádnou klidovou hmotnost, další částice Higgsovo pole přitahuje a dodává jim hmotnost. Dalo by se tím vysvětlit, proč jsou některé intermediální bosony tak těžké, zatímco jiné částice, např. elektrony, jsou velmi lehké. Zjednodušeně řečeno, Higgsovy bosony by měly být součástí neviditelného kvantového pole, které vyplňuje vakuum ve vesmíru a způsobuje, že ve vesmíru jsou hmotné částice vytvářející látkové struktury; bez nich by neexistoval svět v podobě, jak jej známe. Pokud by některé základní stavební částice hmotnost nezískaly, vesmír by vypadal zcela jinak: Částice bez klidové hmotnosti by volně létaly vesmírem rychlostí světla a nikdy by nevytvořily atomy, z nichž pak vznikaly hvězdy, planety a život...
*) Tuto hypotézu poprve zavedli v r.1964 ve svých pracech autoři P.Higgs, F.Englert a R.Brout, G.Guralnik, C.Hagen a T.Kibble. Higgsovo pole v r.1967 využili S.Weiberg, A.Salam a S.Glashow při vybudování teorie elektroslabé interakce s těžkými intermediálními bosony W^±,Z°.
  Samotný Higgsův boson H má vysokou klidovou hmotnost, řádově stovky GeV *). Higgsovy bosony by mohly vznikat silnou interakcí při vysokoenergetických srážkách protonů výměnnou interakcí energetických kvarků s gluony či W-bosony (tzv. gluonová fúze, obr.1.5.1.I, W nebo Z fúze, popř. sdružená produkce s W nebo s t-t' párem), nebo elektro-slabou interakcí při srážkách elektronů např. interakcí e⁺+e^-®Z*®Z+H (H-vyzáření), nebo opět W či Z fúzí - viz obr.1.5.1.D. Higgsovy bosony jsou vysoce nestabilní částice s dobou života pouhých cca 10^-22s. Nemohou být tedy detekovány přímo, ale jen na základě analýzy sekundárních částic vznikajících při jejich rozpadu - jejich rozpadových produktů. Pokud Higgsův boson vznikne při vysokoenergetické interakci částic, předpokládá se, že se velmi rychle rozpadne na jiné energetické částice. Nejjednodušší rozpad H ® g + g na dva fotony gama by mohl nastávat již při nižších hmotnostech kolem 100GeV. Pokud má Higgsův boson hmotnost vyšší než 160GeV, může se rozpadat i na dva W-bosony: H ® W + W, které se vzápětí rozpadají na dva leptony a dvě neutrina (jak bylo zmíněno výše v pasáži "Bosony W^-,W⁺,Z^o"). Při hmotnosti H vyšší než cca 180GeV může rozpad vést na dva Z-bosony: H ® Z + Z, které se rozpadají na 4 leptony - po dvojicích mionů m⁺+m^- nebo elektronů e⁺+e^-. V případě, že Higgsův boson je těžší než cca 500GeV, mohou nastávat i další způsoby jeho rozpadu, např. H ® b+b', nebo H ® t⁺+t^- , další mohou, ale nemusí jít přes intermediální Z-bosony; nakonec mohou vyústit v produkci kvarků, jejichž hadronizací by vznikaly spršky (výtrysky - jety) částic. Feynmanovy diagramy některých možností vzniku Higgsových bosonů a jejich rozpadu jsou uvedeny výše v pasáži "Feynmanovy diagramy " (na obrázku 1.5.1.D,I).
*) Srážkové experimenty (na urychlovačích Tevatron a LEP - viz níže "Velké urychlovače") dávaly pouze dolní hranici pro hmotnost Higgsova bosonu cca 170GeV/c². Ostatně, podle supersymetrických modelů by mohlo existovat několik druhů Higgsových bosonů: lehké skalární h^o, těžké skalární H^o, kladně a záporně nabité H^±.
Objev Higgsova bosonu 
Na konferenci ICHEP2012 v australském Melbourne 4.července 2012 byl na základě dat z experimentů ATLAS a CMS v CERN oznámen objev nového bosonu, jehož vlastnosti jsou konsistentní s Higgsovým bosonem. Pečlivou analýzou asi 60 tisíc případů detekce dvojic fotonů (pocházejících ze srážek vysokoenergetických protonů) se na křivce závislosti počtu fotonů na energii podařilo najít malý (ale signifikantní, asi 160 dvojic fotonů) pík v oblasti energie kolem 126GeV. Tento pík by měl patrně pocházet z 2-fotonového rozpadu Higgsových bosonů. Úroveň spolehlivosti prokázání nové částice detekcí jejích rozpadových produktů je 5s. Je třeba provést další experimenty, aby bylo jisté, že jde o Higgsův boson a nikoli jinou dosud neznámou částici. Za tento objev byla v r.2013 udělena Nobelova cena P.Higgsovi a F.Englertovi.

Zdroj: CERN-LHC
Objev Higgsova bosonu na velkém urychlovači LHC detekcí produktů jeho rozpadu - zde dvou opačných fotonů gama se specifickými energiemi na detekčním systému ATLAS.

Higgsův boson - "božská" částice ? 
V popularizační literatuře se často uvádí novinářský bonmot, že Higgsův boson je jakousi "božskou částicí", která dává vesmíru hmotnost. Není to tak docela pravda. Více než 99% běžné ("zářivé") hmoty, z níž je složen vesmír, běžná látka i naše těla, je tvořeno protony a neutrony. Ty se skládají z kvarků, jejichž hmotnost, související s Higgsovým mechanismem, představuje jen cca 5% hmotnosti protonů a neutronů. S Higgsovým polem podstatně souvisí hmotnost jen bosonů W a Z, kvarků a hmotnosti leptonů; ty však představují jen malou část hmotnosti Vesmíru. Důležitost Higgsova bosonu spočívá v tom, že to byla poslední dosud neobjevená částice standardního modelu, jejíž objev potvrzuje (jinak nezjistitelné) Higgsovo pole, bez kterého by standardní model neuměl vysvětlit experimentálně naměřené hmotnosti leptonů, kvarků a intermediálních bosonů - nosičů sil. Bez Higgsova mechanismu by kvarky byly bez hmotnosti a nevytvářely by protony a neutrony, atomární hmota by neexistovala...
Supersymetrické částice   
V supersymetrických unitárních teoriích elementárních částic je ke každé základní částici přiřazen její tzv. superpartner - každý boson má svého fermionového superpartnera a fermion má naopak svůj bosonový protějšek. Tyto "partnerské" částice nebyly zatím pozorovány. Vysvětluje se to tím, že boson-fermionová supersymetrie je narušená; vede to k tomu, že hmotnost superpartnerů není stejná, ale supersymetričtí partneři ke známým částicím mají hmotnost daleko vyšší, takže při nám dostupných energiích je nemůžeme pozorovat. Názvy těchto částic se vytvářejí příponou "ino" (u bosonů zprostředkujících interakce), nebo předponou "s-" (u fermionů) k názvu výchozí částice. Nejčastěji diskutované supersymetrické částice jsou gravitina, fotina, příp. neutralina:
Gravitina
jsou kvanta kalibračního pole v supergravitační unitární teorii pole (superpartner gravitonu), mají spin 3/2 nebo 5/2.
Fotina
jsou slabě interagující hmotné částice se spinem 1/2, zaváděné jako supersymetrický partner fotonu.
s - částice
Někdy se diskutují i supersymetrické částice k dalším fermionům: s-leptony jako superpatneři k leptonům, např. s-elektron, s-mion, s-neutrino (zvané též neutralino - mělo by mít vysokou hmotnost desítky či stovky GeV); či kvarkům - s-kvarky.
Higgsino - supersymetrický fermion k Higgsovu bosonu.
Další hypotetické částice:   
Axiony
jsou velmi lehké (klidová hmotnost cca 10^-5-1 eV/c²) hypotetické částice se spinem 0, které by s okolím měly interagovat slabou a gravitační interakcí. Jsou považovány za možné částicové kandidáty temné hmoty ve vesmíru.
V rámci kvantové chromodynamiky byly axiony postulovány při řešení CP-problému narušení kombinace nábojové symetrie a parity v teorii kvarků. CP symetrie, která je narušena u slabých interakcí, by z teoretického hlediska měla být narušena i pro silnou interakci. Jelikož se toto experimentálně nepozoruje, byla do kvantové chromodynamiky zavedena dodatečná symetrie (která je spontánně narušena), kvanta příslušného pole jsou nový typ částic nazvaných axiony (jejich supersymetričtí partneři se nazývají axina). Reliktní axiony snad mohly vznikat ve velmi raném vesmíru v leptonové éře. Předpokládá se, že by též v nepatrném procentu mohly vznikat při rozptylu fotonů na elektronech, takže jejich intenzívním zdrojem by mohlo být i nitro Slunce.
V poslední době se diskutují některé možnosti, jak by snad bylo možno takové částice detekovat. Interakce axionu s elektrony či s velmi silným magnetickým polem by mohla vést k produkci kvanta elektromagnetického záření - mikrovlnného fotonu, který by se dal detekovat. Zkoušejí se dokonce i experimenty s laboratorní produkcí axionů pomocí interakcí intenzívních fotonových svazků z výkonných laserů s elektrony v silném magnetickém poli, s následnou detekcí při zpětné konverzi axionů na fotony, opět v silném magnetickém poli. Všechno zatím bezúspěšně...
WIMP
Výše uvedené (zatím hypotetické) částice - gravitina, fotina, axiony - se někdy souhrnně označují jako "slabě interagující hmotné částice" - zkratka WIMP (Weak Interacting Mass Particle). S okolím interagují slabě a gravitačně. Předpovídá je supersymetrické rozšíření standardního modelu. Mohly by tvořit podstatnou složku tzv. temné hmoty ve vesmíru (viz např. §5.6 "Budoucnost vesmíru. Šipka času. Skrytá hmota." v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Zatím se je nepodařilo detekovat...
Magnetické monopóly
- hypotetické částice duální vůči elektrickému náboji. Magnetický monopól vzniká při záměně elektrických a magnetických veličin v Maxwellových rovnicích a následné aplikaci kvantové teorie pole.
Klasická teorie elektromagnetického pole magnetické monopóly nepřipouští: jedna z Maxwellových rovnic div B = 0 říká, že magnetické pole je nezřídlové s uzavřenými siločárami, tj. magnetické monopóly neexistují (viz např. §1.5 "Elektromagnetické pole. Maxwellovy rovnice" v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Magnetické monopóly byly zavedeny jako pokus o (aspoň hypotetické) formální zrovnoprávnění, či nastolení symetrie, elektřiny a magnetismu. Nebyly nikdy detekovány, v naší přírodě neexistují, jejich hypotetická přítomnost těsně po velkém třesku byla anulována inflační expanzí raného vesmíru (§5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír.").
Leptokvarky X, Y
- hypotetické vektorové bosony X a Y (zvané leptokvarky, protože způsobují přechody mezi kvarky a leptony) se zavádějí v tzv. grandunifikačních teoriích GUT (již zmíněný §B.6 "Sjednocování fundamentálních inetrakcí" v knize "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu"). Měly by mít velmi vysoké hmotnosti řádově m_X,Y ~10¹⁵ GeV/c², zatím mimo možnosti experimentálního prokázání ve velkých urychlovačích...
Superstruny
jsou hypotetické (modelové) jednorozměrné elementární útvary délky řádu 10^-33cm (Planckova délka), jejichž různě excitované vibrační stavy a vzájemná propojení by podle tzv. teorie superstrun měly být základem veškerých částic a polí - základem unitární teorie pole sjednocující všechny 4 interakce v přírodě. Struny mohou být otevřené nebo uzavřené. Podle způsobu kmitání strun vzniká různá hmotnost, náboj, spin a pod. Takovéto struny by pak mohly tvořit základní částice (fermiony - kvarky, elektrony, ... a bosony - fotony, gluony, ...) standarního modelu.
  Zobecněním superstrun jsou tzv. p-brány, které mohou mít více (p) prostorových dimenzí a vyvíjejí se ve vícerozměrném (většinou 11-rozměrném) prostoročase. O teorii superstrun je stručně pojednáno v závěrečné části §B.6 "Sjednocování fundamentálních inetrakcí" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu".
Tachyony (řec. tachyos=rychlý)
jsou ryze spekulativní částice, které se mohou pohybovat pouze nadsvětelnou rychlostí a mají (v souvislosti se známým vztahem závislosti hmotnosti na rychlosti m = m_o/Ö(1-v²/c²) ve speciální teorii relativity) imaginární hmotnost. Motivací pro zavedení tachyonů je pouze spekulace o jakési symetrii vzhledem k rychlosti světla, nesvědčí pro ně žádné fyzikální argumenty; spíše by vyvolávaly vážné problémy s principem kauzality. Z hlediska teorie relativity jsou tachyony stručně diskutovány v pasáži "Tachyony" §1.6 "Čtyřrozměrný prostoročas a speciální teorie relativity" zmíněné knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu".
"Stínová" či zrcadlová hmota - Katoptrony ?
Na závěr našeho letmého přehledu "zoologie" hypotetických částic zmíníme ještě poněkud nejasnou představu o tzv. zrcadlové hmotě, která by snad mohla skrytě existovat vedle "naší obyčejné" hmoty. Hypotéza vychází z experimentálně zjištěného nezachování parity při slabých interakcích částic (je diskutováno níže - "CPT symetrie interakcí"). Vznikla myšlenka, že zrcadlová symetrie by mohla být obnovena, kdyby ke každé "naší" pozorované fundamentální částici existoval skrytý, "stínový" partner ("dvojče") - zrcadlová částice, při jejíž interakci dochází k opačnému porušení parity. Naše běžné částice jsou "levotočivé", zrcadlové částice "pravotočivé", celkově je paritní symetrie zachována. Parita pak může být spontánně narušena Higsovým mechanismem; v případě nenarušené paritní symetrie jsou hmotnosti částic a jejich zrcadlových partnerů stejné, při narušení parity jsou hmotnosti zrcadlových partnerů odlišné. Zrcadlové částice se někdy označují souhrnným názvem katoptrony (řec. katoptro = zrcadlo).
  Zrcadlová hmota, pokud existuje, jen velmi slabě interaguje s běžnou hmotou. Síly mezi zrcadlovými částicemi jsou totiž zprostředkovány zrcadlovými bosony, které jsou obecně jiné, než intermediální bosony "naší" hmoty. Zrcadlová hmota je proto prakticky nepozorovatelná *), aspoň ne přímými metodami, opticky. Výjimkou jsou gravitony, takže zrcadlová hmota by měla vykazovat gravitační účinky - mohla by být proto kandidátem na zatím záhadnou temnou hmotu ve Vesmíru (podrobněji rozebíranou v §5.6 "Budoucnost vesmíru. Šipka času. Skrytá hmota." monografie "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").
*) V rámci superstrunových teorií se zrcadlové částice dokonce někdy umisťují nikoli do "našeho" 3-rozměrného prostoru, ale do tří jiných "extradimenzí".

Unitární symetrie a multiplety částic
Velký počet elementárních částic, které byly objeveny při vysokoenergetických interakcích, přirozeně vedl nukleární fyziky ke snahám o jejich systematiku a zavedení unitarizačních schémat - k vytvoření jakési periodické tabulky částic, analogicky k Mendělejevově periodické tabulce prvků (§1.1, část "Bohrův model atomu" a "Interakce atomů", pasáž "Periodické chemické vlastnosti atomů"). Především, každému baryonu a leptonu je přiřazeno baryonové číslo B a leptonové číslo L (částice +1, antičástice -1), které se zachovávají při všech interakcích. Byly zjištěny výrazné podobnosti a symetrie mezi některými elementárními částicemi, především hadrony.
  Odhlédneme-li od elektrického náboje, lze např. protony a neutrony považovat za dva stavy (dublet) jedné částice - nukleonu. Podobně piony p⁺,p^o,p^- tvoří triplet podobných částic. Při studiu samotných silných interakcí, které jsou nábojově nezávislé, můžeme od náboje odhlédnout. Pro popis těchto podobností a symetrií byla zavedena nová veličina izotopický spin neboli izospin T *). Nukleony mají izospin T = 1/2, přičemž projekce izospinu T = +1/2 odpovídá protonu a T = -1/2 neutronu. Pionům se připsal izospin T = 1, s projekcemi -1,0,+1 pro p^-,p^o,p⁺. V soustavě interagujících nukleonů a pionů pak platí zákon zachování izospinu.
*) Vyšlo se z formální analogie s obyčejným spinem, kde částice se spinem 1/2 se vyskytuje ve dvou stavech s průmětem spinu -1/2, +1/2 a částice se spinem 1 ve třech stavech s průměty spinu -1,0,+1. Izospin T je vektorem v myšleném (pomocném) "izotopickém prostoru". Obecně částice s izospinem T se může vyskytovat v (2 T + 1) stavech s projekcemi izospinu na vztažnou osu: -T, (-T+1), (-T+2), ..., -1, 0, 1, ..., (T-2), (T-1), T.
  Dalším důležitým krokem byl objev některých "podivných" (nečekaných) vlastností interakcí mesonů K a hyperonů při jejich sdružené párové produkci, které vedly k zavedení pojmu podivnosti, popsaného kvantovým číslem S ("Strange"). Později bylo zavedeno obecnější kvantové číslo zvané hypernáboj Y = B + S, dané součtem baryonového čísla B a podivnosti S. Ukázalo se, že při silných interakcích se zachovává jak izospin T, tak hypernáboj Y. Tato rozšířená symetrie vedla k sestavení multipletu baryonů - dekupletu (3/2⁺), v němž však v té době chybělo jedno místo; byl tak předpovězem hyperon W, který byl zanedlouho skutečně objeven.
  Jednotlivé hadrony se zakreslovaly do speciálních diagramů, kde na vodorovné ose se vynášela projekce izospinu Tz, na svislé ose hypernáboj Y a na šikmé ose elektrický náboj Q. Spojnice takto vyznačených multipletů částic tvořily pravidelné geometrické obrazce - trojúhelníky, šestiúhelníky a jejich kombinace, viz níže obr.1.5.3. Takováto analýza unitární symetrie (kterou nalezli v r.1964 M.Gell-Mann a Y.Ne'eman) ukázala, že systematiku hadronů lze velmi dobře vysvětlit hypotézou, že hadrony jsou složeny ze subčástic nazvaných kvarky - baryony z tripletu kvarků, mezony z dvojice kvarků, jak bude nastíněno v následující pasáži.

Jsou elementární částice skutečně elementární ?
Pokusme se nyní podívat, jak je to s "elementárností" a vnitřní strukturou základních stavebních částic hmoty. Důležitým vodítkem pro posouzení "elementárnosti" ("fundamentálnosti") částic nám může sloužit to, zda se daná částice samovolně rozpadá (přeměňuje) či nerozpadá na jiné druhy částic. Za opravdu vnitřně "jednolité", kompaktní elementární částice bez vnitřní struktury, můžeme podle dosavadních poznatků považovat foton a elektron, které vznikají či zanikají vždy jako celek a nepřeměňují se na jiné druhy částic. Neutron a proton se mohou vzájemně přeměňovat za účasti elektronů, pozitronů a neutrin; nemohou být tedy v pravém slova smyslu "elementární". Totéž se týká p-mezonů a hyperonů. Tedy obecně hadronů...
Pozn.: Jelikož mnohé částice jsou složené, označení "elementární" je zde zavádějící. Jedná se však o vžitý název, podobně jako název "atom", který již dávno neznamená "nedělitelný". V posledních letech se ale často slovo "elementární" vypouští a hovoří jen o "částicích".
Bootstrap model hadronových interakcí 
"Předchůdkyní" kvarkového modelu byla tzv. bootstrapová hypotéza interakcí hadronů, kterou v 60.letech vypracoval G.F.Chew. Nehledaly se zde žádné fundamentálnější částice, které stojí za vlastnostmi interakcí, ale předpokládalo se, že jsou to v podstatě "ty samé" hadrony (včetně hadronových rezonancí), působící v jakési zpětné vazbě (bootstrap = samozaváděcí, zpětnovazební). V částicové fyzice je tato koncepce nyní již jen okrajová a není obecně přijímaná...
Kvarková struktura hadronů 
Výše naznačená systematika hadronů ukazuje, že v jejich vlastnostech se dají nalézt výrazné tzv. unitární symetrie. Na základě těchto symetrií byl v r.1964 (autoři M.Gell-Mann a Y.Ne'eman) sestaven tzv. kvarkový model hadronů, podle něhož jsou všechny hadrony složeny z ještě "elementárnějších pračástic" - kvarků.
Slovo "quark", které nemá žádný jazykový význam, převzali autoři kvarkového modelu s notnou dávkou recese ze hry spisovatele Jamese Joyse.
  Kvarky jsou fermiony se spinem 1/2 a s třetinovým elektrickým nábojem: -(1/3)e, +(2/3)e, každý kvark má svou antičástici - antikvark´. Pro vysvětlení systematiky hadronů pomocí aditivního kvarkového modelu bylo postupně zavedeno celkem 6 druhů kvarků, z nichž nejdůležitější jsou dva: "u" (up), "d" (down) - jsou z nich složeny nukleony. Třetí kvark "s" (strange) je nositelem "podivnosti". Kvark "b" (bottom) se podílí na porušení symetrie CP. Charakteristiky všech kvarků jsou uvedeny níže v přehledné tabulce v části "Standardní model - jednotné chápání elementárních částic".
   Mezony jsou složeny z dvou kvarků - kombinace kvark-antikvark (q q´). V případě opačné orientace spinů obou kvarků dostáváme tzv. skalární mezony se spinem s=0, např. p⁺ = (u d´), p^- = (d u´), p^o = (u u´) + (d d´). Je-li jedním z kvarků "s", jedná se podivné mezony K^+,-,0 ............ Při paralelní orientaci spinů v dvojici kvark-antikvark vznikají tzv. vektorové mezony se spinem s=1, které pozorujeme jen jako mezonové rezonance s velmi krátkou dobou života (cca 10^-23s) - mezon r^+,-,0 nebo ^*K^+,-,0.
   Baryony jsou složeny ze tří kvarků, přičemž spiny těchto kvarků mohou být orientovány tak, že výsledný spin baryonu je s=1/2, nebo s=3/2. Např. proton p = (u u d) a neutron n = (d d u) se spinem 1/2, či hyperon L^o se spinem 3/2.
Baryony obsahující kvark "s" se nazývají hyperony (vlastnosti hyperonů byly popsány výše). Systematika mezonů a baryonů z hlediska kvarkové struktury je schématicky znázorněna diagramy na následujícím obr.1.5.3 :

Obr.1.5.3. Schématické znázornění unitární symetrie a kvarkové stavby hadronů.
Pozn.1: Z důvodu souladu s textem, kde nejsou k dispozici fonty s vlnovkou, jsou antičástice označeny čárkovaně ( ' ).
Pozn.2: Stejné kvarkové kombinace, lišící se vyšším spinem, odpovídají buď samostatné částici (např. r, D), nebo jsou označeny stejným symbolem jako známá částice s antipralelními spiny těchže kvarků a indexem "*" (např. *K, *S).

Vedle těchto základních multipletů lze vytvořit i řadu dalších kombinací z "exotických" kvarků c, b, t *), ať již (pseudo)skalární, nebo vektorové; některé z nich byly již experimentálně prokázány. Např.:
D-mesony - obsahují c-kvarky: D⁺ (c,d'), D^o (c,u'), podivný D_s (c,s'), charmonium (c,c')
B-mesony - obsahují b-kvarky: B⁺ (u,b'), B^o (d,b'), podivný B_s (s,b'), B_c (c,b'), ypsilonium (b,b')
B-mesony (zvláště neutrální B^o) se produkují v párech částice-antičástice na velkém urychlovači LHC (experiment LHCb zmíněný níže) z důvodu výzkumu jejich asymetrické produkce a rozpadů s porušením CP symetrie.
   Všechny tyto kombinace se chovají jen jako rezonanční stavy s velmi krátkou dobou života (kratší než cca 10^-13sec). Vznikají na kratičký okamžik při vysokoenergetických interakcích elektronů, protonů a dalších částic. Rozpadají se řadou různých způsobů (leptonových i hadronových) na elektrony e^±, fotony g, miony m^±, neutrina n_e,m,t, kaony K^±,0, částečně i piony p^±,0.
*) Top kvark t, který je nejtěžší (cca 170MeV/c²), se po svém vzniku natolik rychle rozpadá (typicky na b-kvark a W-boson), že nestačí vytvořit hadronové vázané stavy, nenastává u něj hadronizace a vznik jetů.
 Původ hmotnosti hadronů
Hadrony jsou mnohem těžší, než činí součet hmotností jejich kvarků. Např. proton má hmotnost 938MeV, zatímco hmotnost kvarku "u" je 2MeV a kvarku "d" 5MeV. Většina hmotnosti protonu proto pochází z kinetické energie vnitřního pohybu jeho kvarkových komponent. Vysvětluje se to na základě kvantových relací neurčitosti, podle nichž součin neurčitosti v poloze a hybnosti částice je větší než Planckova konstanta. Kvarky jsou v protonu či neutronu uzavřeny ("uvězněny") v prostorové oblasti o průměru cca 10^-13cm; tato vnuceně velmi malá neurčitost v poloze kvantově implikuje značnou hybnost a tím i kinetickou energii každého z kvarků, nejméně cca 200MeV. Bilance kinetické energie takových tří intenzívně kmitajících kvarků je přibližně ekvivalentní hmotnosti protonu.
Rozdíl v hmotnosti kvarků "u", "d", "s" (který se v unitárních teoriích polí a částic vysvětluje interakcí s Higgsovým polem) však způsobuje rozdíly v hmotnostech mezonů p a K, jakož i baryonů - protonů, neutronů a různých druhů hyperonů.
 Virtuální "moře kvarků" ?
Základní představa vysvětluje hadrony jakožto složené ze dvou nebo tří "valenčních" kvarků, vázaných silnou interakcí gluonového pole. Podle koncepce kvantové teorie pole se však očekává, že kromě "reálných, valenčních" kvarků by v hadronech měly být přítomné i virtuální páry kvark-antikvark, spontánně vznikající a vzápětí anihilující. Mohly by tvořit jakési virtuální "moře kvarků" uvnitř hadronů, které by se při vysokoenergetických interakcích mohlo "materializovat" a podílet se na mechanismech vzniku emitovaných částic, kvark-gluonové plasmy a její hadronizaci ..?..