Фотоны, или гамма-лучи, рассматриваемые как элементарные частицы, имеют массу нуль. Это следует из того, что их скорость всегда равна скорости света, а энергия равна импульсу, умноженному на скорость света. Фотоны имеют целый спин, поскольку они испускаются при переходах между квантовыми состояниями атомов, при которых момент количества движения изменяется на целое число. Они подчиняются статистике Бозе; на это указывает хотя бы тот факт, что, применяя к фотонам в состоянии термодинамического равновесия статистику Бозе, мы получаем правильное выражение для спектра излучения черного тела (закон Планка). Предположение, что спин фотона равен 1, находится в согласии с правилами отбора для радиационных переходов. Фотон в состоянии с определенным направлением спина соответствует волне с круговой поляризацией. Спин фотона может быть либо параллельным, либо антипараллельным к направлению движения и имеет поэтому только две возможные ориентации.

Фотоны не имеют ни электрического заряда, ни магнитного момента.

В состав всех окружающих нас веществ входят электроны. Их электрический заряд точно известен (например, из экспериментов с масляными капельками) и равен e =4,802•10^-10 электростатических единиц. Масса электрона тоже точно известна (например, из экспериментов по отклонению в электрическом и магнитном полях, дающих величину отношения электрического заряда к массе) и имеет величину m_e=9,105•10^-28 г. Соответствующее значение энергии покоя m_ec²=0,51079 Мэв. Анализ атомных спектров показывает, что спин электрона s =1/2, а его магнитный момент равен одному магнетону Бора. Электроны подчиняются статистике Ферми, так как они обладают полуцелым спином. Это согласуется с экспериментальными данными о структуре атомов и о поведении электронов в металлах.

Позитроны (положительные электроны) в веществе не могут существовать, потому что при замедлении они аннигилируют, соединяясь с отрицательными электронами. В этом процессе, который можно рассматривать как обратный процесс рождения пар, положительный и отрицательный электроны исчезают, при этом образуются фотоны, которым передается их энергия. При аннигиляции электрона и позитрона в большинстве случаев образуются два фотона, значительно реже - один фотон. Однофотонная аннигиляция может произойти только в том случае, когда электрон сильно связан с ядром; участие ядра в этом случае необходимо для сохранения импульса. Двухфотонная аннигиляция, напротив, может происходить и со свободным электроном. Часто процесс аннигиляции происходит после практически полной остановки позитрона. В этом случае испускаются в противоположных наравлениях два фотона с равными энергиями.

Позитрон был открыт Андерсоном при изучении космических лучей методом камеры Вильсона. На рисунке, который является репродукцией с полученной Андерсоном фотографии в камере Вильсона, видна положительная частица, входящая в свинцовую пластину толщиной 0,6 см с импульсом 6,3•10⁷ эв/с и выходящая из нее с импульсом 2,3•10⁷ эв/с. Можно установить верхний предел для массы этой частицы, допустив, что она теряет энергию только на столкновения. Этот предел составляет 20 m_e. На основании этой и других сходных фотографий Андерсон выдвинул гипотезу о существовании положительной частицы с массой, примерно равной массе обычного электрона. Это заключение скоро было подтверждено наблюдениями Блэккета и Оккиалини в камере Вильсона. Вскоре после этого Кюри и Жолио открыли, что позитроны образуются при конверсии гамма-лучей радиоактивных источников, а также испускаются искусственными радиоактивными изотопами. Так как фотон, будучи нейтральным образует пару (позитрон и электрон), то из принципа сохранения электрического заряда следует, что по абсолютной величине заряд позитрона равен заряду электрона.

Первое количественное определение массы позитрона было проделано Тибо, который измерял отношение e/m методом трохоид и пришел к выводу, что массы позитрона и электрона отличаются не больше чем на 15 %. Более поздние эксперименты Шписа и Цана, которые использовали масс-спектрографическую установку, показали, что массы электрона и позитрона совпадают с точностью до 2 %. Еще позже Дюмонд и сотрудники измерили с большой точностью длину волны аннигиляционного излучения. С точностью до ошибок эксперимента (0,2 %) они получили такое значение длины волны, которого следовало ожидать в предположении, что позитрон и электрон имеют равные массы.

Закон сохранения момента количества движения в применении к процессу рождения пар показывает, что позитроны обладают полуцелым спином и, следовательно, подчиняются статистике Ферми. Разумно предположть, что спин позитрона равен 1/2, как и спин электрона.

Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, и поэтому их часто называют нуклонами. Нейтрон не имеет электрического заряда. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Об этом свидетельствует тот факт, что атомы нейтральны. Масса протона M_p точно известна из непосредственных масс-спектроскопических измерений; ее величина в 1836 раз больше массы электрона. Энергия покоя протона равна 938 Мэв. Масса нейтрона M_n известна из масс-спектроскопических измерений массы дейтона (который состоит из одного протона и одного нейтрона) и из измерения энергии связи этой частицы. Величина массы нейтрона немного превышает массу протона. Соответствующая разница между энергиями покоя нейтрона и протона порядка 1,3 Мэв.

Сверхтонкая структура водорода свидетельствует о том, что протон имеет спин 1/2. Из сверхтонкой структуры дейтерия следует, что его спин равен 1. Поэтому нейтрон должен иметь полуцелый спин, и естественно предположить, что он имеет спин 1/2. Это предположение подтверждается непосредственными экспериментами по рассеянию медленных нейтронов на орто- и параводороде.

Методом магнитного резонанса были определены магнитные моменты протона и нейтрона; в этих экспериментах определялась разность энергий частиц, ориентированных параллельно и антипараллельно магнитному полю, причем непосредственно измерялась соответствующая этой энергетической разности частота. В результате были получены следующие значения:
для протона: 2,7896 ядерных магнетонов;
для нейтрона: -1,9103 ядерных магнетонов.
Наличие отрицательного магнитного момента у нейтрона означает, что магнитный момент и спин направлены противоположно.

Наблюдения, показывающие, что спин дейтона равен сумме спинов протона и нейтрона, а магнитный момент примерно равен разности между магнитными моментами этих двух частиц, явились первым подтверждением того, что магнитные моменты протона и нейтрона имеют противоположные знаки. Знаки магнитных моментов протона и нейтрона были позднее непосредственно определены Роджерсом и Штаубом.

Уже давно было известно, что ядра могут испускать электроны и позитроны (бета-активность). При объяснении этого явления считали, что один из протонов ядра переходит в нейтрон, образуя при этом позитрон, или один из нейтронов ядра переходит в протон, образуя при этом электрон. Вне ядра энергетически возможно только превращение нейтрона в протон, поскольку энергия покоя нейтрона больше энергии покоя протона. Такое превращение наблюдалось; при этом оказалось, что время жизни свободных нейтронов равно примерно 13 мин.

Так как протоны, нейтроны и электроны имеют спин 1/2, то из закона сохранения момента количества движения следует, что электрон и протон не могут являться единственными продуктами распада свободного нейтрона, т. е. при бета-распаде ядро не может испускать только один электрон. Кроме того, было обнаружено, что энергетический спектр электронов, испускаемых при бета-распаде некоторого определенного радиоактивного изотопа, является непрерывным. Максимальная энергия электронов равна разности между энергиями связи материнского и дочернего веществ, но средняя энергия электронного спектра значительно меньше этой разности. Таким образом, законы сохранения энергии и момента количества движения требуют сущесвования нейтральной частицы с полуцелым спином, рождающейся одновременно с электроном и уносящей необходимую для баланса часть энергии. Эту частицу называют "нейтрино".

Известно, что масса нейтрино составляет меньше 2 % от массы электрона, ее предполагаемый спин равен 1/2. Нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом, о чем свидетельствует тот факт, что до сих пор не было обнаружено ни одного акта взаимодействия. Это означает, что магнитный момент нейтрино, вероятно, равен нулю и, несомненно, очень мал по сравнению с магнетоном Бора.

Открытие мезона, в отличие от открытия позитрона явилось не результатом единичного наблюдения, а скорее выводом из целой серии экспериментальных и теоретических исследований.

В 1932 году Росси, используя метод совпадений, предложенный Боте и Кольхерстером, показал, что известную часть наблюдаемого на уровне моря космического излучения составляют частицы, способные проникать через свинцовые пластины толщиной до 1 м. Вскоре после этого он также обратил внимание на существование в космических лучах двух различных компонент. Частицы одной компоненты (проникающая компонента) способны проходить через большие толщи вещества, причем степень поглощения их различными веществами приблизительно пропорциональна массе этих веществ. Частицы другой компоненты (ливнеобразующая компонента) быстро поглощаются, в особенности тяжелыми элементами; при этом образуется большое число вторичных частиц (ливни). Эксперименты по изучению прохождения частиц космических лучей через свинцовые пластины, проведенные с камерой Вильсона Андерсоном и Неддемейером, также показали, что существуют две различные компоненты космических лучей. Эти эксперименты показали, что, в то время как в среднем потеря энергии частиц космических лучей в свинце совпадала по порядку величин с теоретически вычисленной потерей на столкновения, некоторые из этих частиц испытывали гораздо большие потери.

В 1934 году Бете и Гайтлер опубликовали теорию радиационных потерь электронов и рождения пар фотонами. Свойства менее проникающей компоненты, наблюдавшейся Андерсоном и Неддемейером, находились в согласии со свойствами электронов, предсказанными теорией Бете и Гайтлера; при этом большие потери объяснялись радиационными процессами. Свойства ливнеобразующего излучения, обнаруженного Росси, также могли быть объяснены в предположении, что это излучение состоит из электронов и фотонов больших энергий. С другой стороны, признавая справедливость теории Бете и Гайтлера, приходилось делать вывод, что "проникающие" частицы в экспериментах Росси и менее поглощающиеся частицы в экспериментах Андерсона и Неддемейера отличаются от электронов. Пришлось предположить, что проникающие частицы тяжелее электронов, так как согласно теории потери энергии на излучение обратно пропорциональны квадрату массы.

В связи с этим обсуждалась возможность краха теории излучения при больших энергиях. В качестве альтернативы Вильямс в 1934 году высказал предположение, что проникающие частицы космических лучей, возможно, обладают массой протона. Одна из трудностей, связанных с этой гипотезой, заключалась в необходимости существования не только положительных, но и отрицательных протонов, потому что эксперименты с камерой Вильсона показали, что проникающие частицы космических лучей имеют заряды обоих знаков. Более того, на некоторых фотографиях, полученных Андерсоном и Неддемейером в камере Вильсона, можно было видеть частицы, которые не излучали подобно электронам, но, однако, были не такими тяжелыми, как протоны. Таким образом, к концу 1936 года стало почти очевидным, что в космических лучах имеются, кроме электронов, еще и частицы до тех пор неизвестного типа, предположительно частицы с массой, промежуточной между массой электрона и массой протона. Следует отметить также, что в 1935 году Юкава из чисто теоретических соображений предсказал существование подобных частиц.

Существование частиц с промежуточной массой было непосредственно доказано в 1937 году экспериментами Неддемейера и Андерсона и Стрита и Стивенсона.

Эксперименты Неддемейера и Андерсона явились продолжением (с улучшенной методикой) упоминавшихся выше исследований по потерям энергии частиц космических лучей. Они были проведены в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле и разделенной на две половины платиновой пластиной толщиной 1 см. Потери импульса для отдельных частиц космических лучей определялись путем измерения кривизны следа до и после пластины.

Поглощающиеся частицы легко могут быть интерпретированы как электроны. Такая интерпретация подкрепляется тем, что поглощающиеся частицы в отличие от проникающих часто вызывают в платиновом поглотителе вторичные процессы и по большей части встречаются группами (по две и больше). Именно этого и следовало ожидать, так как многие из электронов, наблюдаемых при такой же геометрии эксперимента, что у Неддемейера и Андерсона, входят в состав ливней, образующихся в окружающем веществе. Что касается природы проникающих частиц, то здесь многое пояснили два следующих результата, полученных Неддемейером и Андерсоном.

1). Несмотря на то, что поглощающиеся частицы относительно чаще встречаются при малых значениях импульсов, а проникающие частицы наоборот (более часты при больших значениях импульсов), имеется интервал импульсов, в котором представлены и поглощающиеся и проникающие частицы. Таким образом, различие в поведении этих двух сортов частиц не может быть приписано различию в энергиях. Этот результат исключает возможность считать проникающие частицы электронами, объясняя их поведение несправедливостью теории излучения при больших энергиях.

2). Имеется некоторое число проникающих частиц с импульсами меньше 200 Мэв/с, которые производят не большую ионизацию, чем однозарядная частица вблизи минимума кривой ионизации. Это означает, что проникающие частицы космических лучей значительно легче, чем протоны, поскольку протон с импульсом меньше 200 Мэв/с производит удельную ионизацию, примерно в 10 раз превышающую минимальную.

Стрит и Стивенсон попытались непосредственно оценить массу частиц космических лучей путем одновременного измерения импульса и удельной ионизации. Они использовали камеру Вильсона, которая управлялась системой счетчиков Гейгера-Мюллера, включенной на антисовпадения. Этим достигался отбор частиц, близких к концу своего пробега. Камера помещалась в магнитное поле напряженностью 3500 гс; камера срабатывала с задержкой около 1 сек, что позволяло производить счет капелек. Среди большого числа фотографий Стрит и Стивенсон нашли одну, представлявшую чрезвычайный интерес.

На этой фотографии виден след частицы с импульсом 29 Мэв/с, ионизация которой примерно в шесть раз превышает минимальную. Эта частица обладает отрицательным зарядом, поскольку она движется вниз. Судя по импульсу и удельной ионизации, ее масса оказывается равной примерно 175 массам электрона; вероятная ошибка, составляющая 25 %, обусловлена неточностью измерения удельной ионизации. Заметим, что электрон, обладающий импульсом 29 Мэв/с, имеет практически минимальную ионизацию. С другой стороны, частицы с таким импульсом и массой протона (либо движущийся вверх обычный протон, либо отрицательный протон, движущийся вниз) обладают удельной ионизацией, которая примерно в 200 раз превышает минимальную; кроме того, пробег такого протона в газе камеры должен быть меньше 1 см. В то же время след, о котором идет речь, ясно виден на протяжении 7 см, после чего он выходит из освещенного объема.

Описанные выше эксперименты безусловно доказали, что проникающие частицы действительно являются более тяжелыми, чем электроны, но более легкими, чем протоны. Кроме того, эксперимент Стрита и Стивенсона дал первую примерную оценку массы этой новой частицы, которую мы можем теперь назвать ее общепринятым именем - мезон.