Además del electrón, el protón, el neutrón y el fotón se han descubierto muchas otras partículas fundamentales; en 1932, el físico estadounidense Carl David Anderson descubrió el antielectrón o positrón, que Dirac había predicho en 1928; Anderson comprobó que un rayo gamma de alta energía procedente de la radiación cósmica podía desaparecer en las proximidades de un núcleo pesado y crear un par electrón-positrón exclusivamente a partir de su energía: cuando un positrón choca con un electrón se aniquilan entre sí y dan lugar a una lluvia de fotones.
En 1935, el físico japonés Yukawa Hideki desarrolló una teoría que explicaba cómo se mantiene unido un núcleo a pesar de la repulsión mutua entre sus protones; Yukawa postuló la existencia de una partícula de masa intermedia entre el electrón y el protón; en 1936, Anderson y sus colaboradores descubrieron en la radiación cósmica secundaria una nueva partícula con una masa 207 veces superior a la del electrón. Al principio se creyó que esa partícula, que se denominó muón, era el “pegamento” nuclear de Yukawa. Los experimentos posteriores del físico británico Cecil Frank Powell y otros llevaron al descubrimiento de una partícula algo más pesada, con una masa 270 veces mayor que la del electrón: este mesón pi o pión (también hallado en la radiación cósmica secundaria) fue finalmente identificado como la pieza que faltaba en la teoría de Yukawa.
Desde entonces se han encontrado muchas partículas adicionales en la radiación cósmica secundaria y en los aceleradores de partículas de altas energías. Entre ellas figuran numerosas partículas de gran masa, denominadas hadrones (partículas afectadas por la interacción nuclear fuerte, que mantiene unidos los núcleos atómicos), que incluyen los hiperones y diversos mesones pesados cuya masa es de 1 a 3 veces la del protón, además de los llamados bosones vectoriales intermedios, como las partículas W y Zo, los portadores de la interacción nuclear débil. Estas partículas pueden ser eléctricamente neutras, positivas o negativas, pero nunca tienen más de una carga eléctrica elemental, e. Tienen un periodo de semidesintegración que va desde 10-8 hasta 10-14 segundos, y se desintegran dando lugar a numerosas partículas más ligeras. Cada partícula tiene su antipartícula correspondiente y posee un determinado momento angular; todas cumplen una serie de leyes de conservación relativas a números cuánticos como el número bariónico, la llamada extrañeza o el espín isotópico.
En 1931, para explicar el aparente incumplimiento de algunas leyes de conservación en determinados procesos radiactivos, Pauli postuló la existencia de partículas eléctricamente neutras de masa nula o casi nula que transportan energía y momento lineal. Esta idea fue desarrollada por el físico estadounidense nacido en Italia Enrico Fermi, que llamó neutrino a esta partícula hipotética. Al carecer de carga y ser extremadamente pequeño, el neutrino es muy difícil de detectar, y puede atravesar con facilidad toda la Tierra sin ser capturado. Fue finalmente descubierto por los estadounidenses Frederick Reines y Clyde Lorrain Cowan, hijo. Los experimentos del físico estadounidense Robert Hofstadter con electrones rápidos procedentes de aceleradores lineales también contribuyeron a ampliar el conocimiento de la estructura interna de los protones y neutrones.
A finales de la década de 1940, una serie de experimentos con rayos cósmicos reveló nuevos tipos de partículas cuya existencia no se había pronosticado. Se las denominó partículas extrañas, y sus propiedades se estudiaron intensivamente en la década de 1950. En la década de 1960, se encontraron muchas partículas nuevas en experimentos con grandes aceleradores. El nombre de partículas elementales se aplica al electrón, el protón, el neutrón, el fotón y a todas las partículas descubiertas desde 1932; sin embargo, el término es de hecho incorrecto, ya que se ha comprobado que la mayoría de estas partículas tienen una estructura interna complicada.
La física de partículas elementales se ocupa de dos cuestiones:
1) la estructura interna de estos componentes de la materia.
2) la interacción de los mismos para formar núcleos.
La teoría dominante acerca de la estructura interna de las partículas elementales se basa en los quarks, subpartículas de carga fraccionaria; por ejemplo, un protón está formado por tres quarks. Esta teoría fue propuesta por primera vez en 1964 por los físicos estadounidenses Murray Gell-Mann y George Zweig. Los nucleones están formados por tríos de quarks, mientras que los mesones están formados por parejas de quarks. No se conoce ningún proceso para producir quarks aislados, pero se cree que existieron de forma individual en las condiciones extremas que reinaron al comienzo del Universo. Al principio, la teoría postulaba tres tipos de quarks, pero los experimentos posteriores exigieron la introducción de otros tres tipos adicionales.
– La teoría del campo unificado; hasta ahora, las teorías más fructíferas de las interacciones entre las partículas elementales son las llamadas teorías de gauge; en estas teorías, la interacción entre dos clases de partículas se caracteriza por la simetría; por ejemplo, la simetría entre neutrones y protones consiste en que si se intercambian las identidades de las partículas no cambia nada en lo relativo a la interacción fuerte. La primera de las teorías de gauge se aplicó a las interacciones electromagnéticas entre partículas cargadas. Aquí, la simetría reside en el hecho de que los cambios en la combinación de potenciales eléctricos y magnéticos no tienen efecto sobre los resultados finales. Una teoría de gauge muy potente, posteriormente verificada, fue propuesta de forma independiente por el físico estadounidense Steven Weinberg y el físico paquistaní Abdus Salam en 1967 y 1968. Su modelo vinculaba los bosones vectoriales intermedios con el fotón, con lo que unificaba las interacciones electromagnética y nuclear débil, aunque sólo en el caso de los leptones (partículas no afectadas por la interacción nuclear fuerte). Los trabajos posteriores de Sheldon Lee Glashow, J. Iliopolis y L. Maiani demostraron la forma en que el modelo puede aplicarse también a los hadrones (partículas afectadas por la interacción fuerte).
En principio, la teoría de gauge puede aplicarse a cualquier campo de fuerzas, lo que presenta la posibilidad de que todas las fuerzas o interacciones puedan unirse en una única teoría del campo unificado. Estos intentos implican siempre el concepto de simetría. Las simetrías generalizadas se extienden también a intercambios de partículas que varían de un punto a otro en el espacio y en el tiempo. El problema para los físicos es que estas simetrías no amplían el conocimiento científico de la naturaleza de la materia. Por eso, muchos físicos están explorando las posibilidades de las llamadas teorías de supersimetría, que relacionarían directamente los fermiones y los bosones postulando nuevas parejas de partículas “gemelas” además de las conocidas, que sólo se diferenciarían por el espín. Se han expresado algunas reservas en relación con estos intentos; en cambio, otro enfoque conocido como teoría de supercuerdas suscita mucho interés. En esta teoría, las partículas fundamentales no se consideran objetos sin dimensiones sino “cuerdas” que se extienden en una dimensión con longitudes menores de 10-35 metros; todas estas teorías resuelven muchos de los problemas con que se encuentran los físicos que trabajan en la teoría del campo unificado, pero de momento sólo son construcciones bastante especulativas.