Fyzika částic je podpole fyziky, která se zabývá studiem elementárních subatomárních částic - částic, které tvoří atomy. Na počátku 20. století bylo učiněno mnoho experimentálních objevů, které naznačovaly, že atomy, o nichž se věřilo, že jsou nejmenší složkou hmoty, byly složeny z ještě menších částic. Byly navrženy nové teorie, které to vysvětlují (například Standardní model částicové fyziky), bylo navrženo mnoho nových experimentů (pomocí zařízení, jako jsou urychlovače částic) a postupně bylo jasné, že částice tvořící atomy mohou být rozloženy dokonce dále. Dva příklady takových částic jsou kvarky a leptony, a přestože tyto typy částic mají mnoho společného, jejich rozdíly jsou často ostré.
Kvarky a leptony jsou obě základní částice
Kvarky (pojmenované nositelem Nobelovy ceny Murray Gell-Mannem po citaci v knize „Finnegan's Wake“ od Jamese Joyce) a leptony jsou v současné době považovány za nejzákladnější částice, které existují; to znamená, že je nelze rozložit na další základní částice. Kvarky a leptony také nejsou samy o sobě částicemi; spíše odkazují na rodiny částic, z nichž každá obsahuje šest členů. Rodina částic kvarku se skládá z horních, dolních, horních, dolních, kouzelných a podivných částic leptony se skládají z elektronu, elektronového neutrina, mionu, mionového neutrina, tau a tau neutrina částice. S každou částicí jsou spojeny také antičástice, přičemž antičástice jsou zrcadlem naproti odpovídající částice (např. Mají opačný náboj).
Leptony mají celočíselný náboj; Kvarky mají zlomkový poplatek
Leptony mají elektrický náboj buď jedné základní nabíjecí jednotky (definované jako náboj jedné) elektron), v případě elektronu, mionu nebo tau, nebo bez náboje, v případě odpovídajícího neutrina. Na druhé straně mají kvarky dílčí náboje (+/- 1/3 nebo +/- 2/3, v závislosti na kvarku). Když jsou tyto kvarky seskupeny, součet jejich nábojů se vždy přičítá k celočíselnému náboji. Například pokud jsou seskupeny dva kvarky nahoru a jeden kvarky dolů (s náboji +2/3 a -1/3), součet nábojů se sčítá až +1 a vytvoří se nová částice. Tato nová částice je proton, jedna z hlavních složek atomového jádra.
Leptony mohou existovat volně; Kvarky nemohou
Zatímco všechny kvarky mají zlomkový náboj, kvark v přírodě nikdy volně nebude existovat; je to kvůli základní síle známé jako „silná síla“. Silná síla, kterou zprostředkovává částice nesoucí sílu zvané gluony, působí v jádru atomů a udržují kvarky přitahované k jednomu další. Síla mezi kvarky se zvyšuje, jak se od sebe oddělují, což zajišťuje, že volný kvark nikdy nebude detekován. Studijní obor věnovaný interakcím mezi kvarky a gluony se nazývá kvantová chromodynamika (QCD). Leptony jsou na druhé straně velmi „nezávislé“ částice a lze je izolovat.
Kvarky a leptony podléhají různým základním silám
V přírodě existují čtyři základní síly: silná síla (která drží atomová jádra a kvarky pohromadě), slabá síla (která je zodpovědná za radioaktivní rozpad), elektromagnetická síla (která pomáhá udržovat atomy pohromadě) a gravitační síla (která působí na jakýkoli předmět s hmotou nebo energií v vesmír). Kvarky podléhají všem základním silám; leptony naproti tomu podléhají všem silám kromě silné síly. Je tomu tak proto, že silná síla má velmi krátký dosah, obvykle menší než atomové jádro; proto je silná síla obecně omezena na tuto oblast. Slabé, elektromagnetické a gravitační síly na druhé straně mohou působit na mnohem větší vzdálenost než silná síla.