Ποια είναι η διαφορά μεταξύ των κουάρκ και των λετονών;

Η σωματιδιακή φυσική είναι το υποκείμενο της φυσικής που ασχολείται με τη μελέτη των στοιχειωδών υποατομικών σωματιδίων - των σωματιδίων που απαρτίζουν τα άτομα. Στις αρχές του 20ού αιώνα, έγιναν πολλές πειραματικές ανακαλύψεις που υποδηλώνουν ότι τα άτομα, τα οποία πιστεύεται ότι είναι το μικρότερο συστατικό της ύλης, αποτελούνται από ακόμη μικρότερα σωματίδια. Νέες θεωρίες επινοήθηκαν για να το εξηγήσουν αυτό (όπως το πρότυπο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής), σχεδιάστηκαν πολλά νέα πειράματα (χρησιμοποιώντας εξοπλισμός όπως οι επιταχυντές σωματιδίων) και σταδιακά κατέστη σαφές ότι τα σωματίδια που απαρτίζουν άτομα μπορεί να κατανεμηθούν ακόμη και περαιτέρω. Δύο παραδείγματα τέτοιων σωματιδίων είναι τα κουάρκ και τα λεπτόνια, και ενώ αυτοί οι τύποι σωματιδίων έχουν πολλά κοινά, οι διαφορές τους είναι συχνά έντονες.

Τα κουάρκ (ονομάστηκαν από τον βραβευμένο με Νόμπελ Murray Gell-Mann μετά από ένα απόσπασμα στο βιβλίο "Finnegan's Wake" του James Joyce) και τα λεπτόνια πιστεύεται ότι είναι τα πιο βασικά σωματίδια που υπάρχουν Δηλαδή, δεν μπορούν να χωριστούν σε περαιτέρω συστατικά σωματίδια. Τα κουάρκ και τα λεπτόνια επίσης δεν είναι τα ίδια σωματίδια. Αντίθετα, αναφέρονται σε οικογένειες σωματιδίων, καθένα από τα οποία περιέχει έξι μέλη. Η οικογένεια σωματιδίων κουάρκ αποτελείται από πάνω, κάτω, πάνω, κάτω, γοητευτικά και παράξενα σωματίδια, ενώ Τα λεπτόνια αποτελούνται από το ηλεκτρόνιο, το νετρόνο ηλεκτρονίων, το μιόνιο, το νετρίνο μιόνιου, το σωματίδια. Υπάρχουν επίσης αντισωματίδια που συνδέονται με κάθε σωματίδιο, ενώ το αντισωματίδιο είναι το κάτοπτρο απέναντι από το αντίστοιχο σωματίδιο (π.χ. έχει το αντίθετο φορτίο).

Τα λεμόνια έχουν ηλεκτρικό φορτίο είτε μιας θεμελιώδους μονάδας φόρτισης (ορίζεται ως το φορτίο ενός μόνο electron), στην περίπτωση του ηλεκτρονίου, muon ή tau, ή χωρίς φόρτιση, στην περίπτωση του αντίστοιχου νετρίνα. Τα κουάρκ, από την άλλη πλευρά, το καθένα έχει κλασματικά φορτία (+/- 1/3 ή +/- 2/3, ανάλογα με το κουάρκ). Όταν αυτά τα κουάρκ ομαδοποιούνται, το άθροισμα των χρεώσεων τους αυξάνεται πάντα σε ακέραια χρέωση. Για παράδειγμα, εάν δύο επάνω κουάρκ και ένα κάτω κουάρκ (με χρεώσεις +2/3 και -1/3, αντίστοιχα) ομαδοποιούνται, το άθροισμα των φορτίων αυξάνεται στο +1 και δημιουργείται ένα νέο σωματίδιο. Αυτό το νέο σωματίδιο είναι το πρωτόνιο, ένα από τα κύρια συστατικά του ατομικού πυρήνα.

Ενώ όλα τα κουάρκ έχουν κλασματικό φορτίο, ένα κουάρκ δεν θα υπάρχει ποτέ ελεύθερα στη φύση. Αυτό οφείλεται σε μια θεμελιώδη δύναμη γνωστή ως «ισχυρή δύναμη». Η ισχυρή δύναμη, η οποία διαμεσολαβείται από σωματίδια μεταφοράς δύναμης που ονομάζονται γλουόνια, δρα εντός του πυρήνα των ατόμων και διατηρεί τα κουάρκ ελκυστικά σε ένα αλλο. Η δύναμη μεταξύ των κουάρκ αυξάνεται καθώς απομακρύνονται, διασφαλίζοντας ότι ποτέ δεν ανιχνεύεται ένα ελεύθερο κουάρκ. Το πεδίο της μελέτης αφιερωμένο στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ κουάρκ και γλουόνων ονομάζεται κβαντική χρωμοδυναμική (QCD). Τα λεμόνια, από την άλλη πλευρά, είναι πολύ «ανεξάρτητα» σωματίδια και μπορούν να απομονωθούν.

Υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις στη φύση: η ισχυρή δύναμη (η οποία συγκρατεί τους ατομικούς πυρήνες και τα κουάρκ μαζί), η ασθενής δύναμη (η οποία είναι υπεύθυνη για ραδιενεργή διάσπαση), την ηλεκτρομαγνητική δύναμη (που βοηθά στη διατήρηση των ατόμων μαζί) και τη βαρυτική δύναμη (η οποία δρα οποιοδήποτε αντικείμενο με μάζα ή ενέργεια στο σύμπαν). Τα κουάρκ υπόκεινται σε όλες τις θεμελιώδεις δυνάμεις. Τα λεπτόνια, από την άλλη πλευρά, υπόκεινται σε όλες τις δυνάμεις εκτός από την ισχυρή δύναμη. Αυτό συμβαίνει επειδή η ισχυρή δύναμη έχει πολύ μικρό εύρος, συνήθως μικρότερο από αυτό ενός ατομικού πυρήνα. Ως εκ τούτου, η ισχυρή δύναμη περιορίζεται γενικά σε αυτήν την περιοχή. Οι αδύναμες, ηλεκτρομαγνητικές και βαρυτικές δυνάμεις, από την άλλη πλευρά, μπορούν να δράσουν σε πολύ μεγαλύτερη απόσταση από την ισχυρή δύναμη.