Partikelfysik er det underfelt af fysik, der beskæftiger sig med studiet af elementære subatomære partikler - de partikler, der udgør atomer. I det tidlige 20. århundrede blev der foretaget mange eksperimentelle gennembrud, der antydede, at atomer, der blev antaget at være den mindste bestanddel af stof, bestod af endnu mindre partikler. Nye teorier blev udtænkt for at forklare dette (såsom Standard Model of Particle Physics), mange nye eksperimenter blev designet (ved hjælp af udstyr såsom partikelacceleratorer), og det blev efterhånden klart, at de partikler, der udgør atomer, kan nedbrydes jævnt yderligere. To eksempler på sådanne partikler er kvarker og leptoner, og mens disse typer partikler har meget til fælles, er deres forskelle ofte stærke.
Quarks og Leptons er begge grundlæggende partikler
Quarks (udnævnt af nobelprisvinderen Murray Gell-Mann efter et citat i bogen "Finnegan's Wake" af James Joyce) og leptoner menes i øjeblikket at være de mest fundamentale partikler, der findes; det vil sige, de kan ikke opdeles i yderligere bestanddele. Kvarker og leptoner er heller ikke partikler i sig selv; snarere henviser de til partikelfamilier, der hver indeholder seks medlemmer. Kvarkfamilien af partikler består af op, ned, top, bund, charme og mærkelige partikler, mens leptoner består af elektron, elektron neutrino, muon, muon neutrino, tau og tau neutrino partikler. Der er også antipartikler associeret med hver partikel, idet antipartiklen er spejlet modsat af den tilsvarende partikel (for eksempel med den modsatte ladning).
Leptoner har heltalsladning; Quarks har en delafgift
Leptoner har en elektrisk ladning af enten en grundladningsenhed (defineret som ladningen af en enkelt elektron), når det drejer sig om elektron, muon eller tau, eller uden opladning, for det tilsvarende neutrinoer. Kvarker har derimod hver især brøkdelninger (+/- 1/3 eller +/- 2/3, afhængigt af kvarken). Når disse kvarker er grupperet sammen, tilføjes summen af deres afgifter altid til et heltal. For eksempel, hvis to op-kvarker og en ned-kvark (med ladninger på henholdsvis +2/3 og -1/3) er grupperet, tilføjes summen af ladningerne op til +1, og der oprettes en ny partikel. Denne nye partikel er protonen, en af hovedkomponenterne i atomkernen.
Leptoner kan eksistere frit; Quarks kan ikke
Mens kvarker alle har en brøkdel, vil en kvark aldrig eksistere frit i naturen; dette er på grund af en grundlæggende kraft kendt som den "stærke styrke." Den stærke kraft, som formidles af kraftbærende partikler kaldet gluoner, virker inden i kernen af atomer og holder kvarker tiltrukket af en en anden. Kraften mellem kvarker øges, når de bevæger sig fra hinanden, hvilket sikrer, at en fri kvark aldrig opdages. Studiefeltet dedikeret til interaktionen mellem kvarker og gluoner kaldes kvantekromodynamik (QCD). Leptoner er derimod meget "uafhængige" partikler og kan isoleres.
Kvarker og Leptoner er underlagt forskellige grundlæggende kræfter
Der er fire grundlæggende kræfter i naturen: den stærke kraft (som holder atomkerner og kvarker sammen), den svage kraft (som er ansvarlig for radioaktivt henfald), den elektromagnetiske kraft (som hjælper med at holde atomer sammen) og tyngdekraften (som virker på ethvert objekt med masse eller energi i univers). Kvarker er underlagt alle de grundlæggende kræfter; På den anden side er leptoner underlagt alle kræfter undtagen den stærke kraft. Dette skyldes, at den stærke kraft har en meget kort rækkevidde, typisk mindre end den for en atomkerne; derfor er den stærke styrke generelt begrænset til dette område. På den anden side kan de svage, elektromagnetiske og tyngdekræfter virke over en langt større afstand end den stærke kraft kan.