Постоянно ли количество элементарных частиц во Вселенной?

По известной формуле теории относительности покоящаяся частица массы m обладает энергией mc2, поэтому закон сохранения энергии требует такую энергию откуда-то взять, чтобы частица могла родиться. Например, можно использовать кинетическую энергию сталкивающихся частиц. В Большом адронном коллайдере два сталкивающихся протона разогнаны до такой скорости, что их кинетической энергии хватает на рождение десятков или сотен частиц, разлетающихся в разные стороны (рис. 1).

Еще бо́льшие энергии встречаются в природе: подобные процессы происходят при взаимодействии космических частиц — протонов или более тяжелых ядер — с веществом земной атмосферы. В самом первом ядерном столкновении рождаются десятки, сотни или даже тысячи частиц, каждая из которых сама затем сталкивается с веществом атмосферы, так что начинается каскадный процесс — широкий атмосферный ливень, в результате которого из одной первичной космической частицы может родиться несколько миллиардов вторичных (рис. 2). Есть и другие способы рождения частиц, помимо столкновений; многие из них реализовывались в ранней Вселенной.

А как частицы уничтожаются? Большинство частиц могут распадаться на несколько более легких, причем многие частицы живут ничтожные доли секунды — если родились, то почти сразу распадаются. Исключение составляют те случаи, когда распад запрещен законами сохранения. Например, не может распасться электрон — самая легкая заряженная частица. Закон сохранения заряда требует, чтобы среди продуктов распада были заряженные частицы, а закон сохранения энергии запрещает распадаться на более тяжелые. Но более легких заряженных частиц нет, вот электрон и стабилен. Частицы могут также уничтожаться в процессах аннигиляции, но для этого двум подходящим частицам еще нужно встретиться и провзаимодействовать. Энергия этих частиц не может пропасть, поэтому в результате аннигиляции получаются или другие частицы, или излучение.