Osakeste füüsika on füüsika alavaldkond, mis tegeleb elementaarsete subatomaarsete osakeste - aatomite moodustavate osakeste - uurimisega. 20. sajandi alguses tehti palju eksperimentaalseid läbimurdeid, mis viitasid sellele, et aatomid, mida arvati olevat aine kõige väiksem komponent, koosneks veelgi väiksematest osakestest. Selle selgitamiseks töötati välja uued teooriad (näiteks osakeste füüsika standardmudel), kavandati palju uusi katseid (kasutades seadmed (näiteks osakeste kiirendid) ja järk-järgult selgus, et aatomid moodustavad osakesed võivad ühtlaselt laguneda edasi. Kaks sellist osakest on näiteks kvarkid ja leptoonid ning kuigi seda tüüpi osakestel on palju ühist, on nende erinevused sageli suured.
Kvarkid ja leptoonid on mõlemad põhiosakesed
Kvarkid (kelle nimetas Nobeli preemia laureaat Murray Gell-Mann James Joyce'i raamatu "Finnegani äratus" tsitaadi järgi) ja leptoonid arvatakse olevat kõige fundamentaalsemad osakesed, mis eksisteerivad; see tähendab, et neid ei saa jaotada järgmisteks koostisosadeks. Kvarkid ja leptoonid pole samuti ise osakesed; pigem viitavad nad osakeste perekondadele, millest igaühes on kuus liiget. Kvarkide osakeste perekond koosneb üles, alla, ülevalt, alt, võlust ja kummalistest osakestest leptonid koosnevad elektronist, elektronneutriinost, müonist, müonneutriinost, tau-st ja tau-neutriinost osakesed. Iga osakesega on seotud ka antiosakesed, kusjuures antiosake on vastava osakese vastas olev peegel (näiteks vastupidise laenguga).
Leptonitel on täisarv; Kvarkidel on murdlaeng
Leptonitel on kas ühe põhilaengu ühiku elektrilaeng (määratletud kui ühe laengu laadimine) elektron), elektroni, müoni või tau korral või vastava laengu puudumisel neutriinod. Kvarkidel on seevastu murdlaengud (sõltuvalt kvarkist +/- 1/3 või +/- 2/3). Kui need kvarkid on kokku rühmitatud, liitub nende laengute summa alati täisarvuks. Näiteks kui kaks üles- ja üks allkvark (vastavalt laengutega +2/3 ja -1/3) rühmitatakse, siis laengute summa kokku on +1 ja luuakse uus osake. See uus osake on prooton, aatomituuma üks peamisi komponente.
Leptonid võivad vabalt eksisteerida; Kvarkid ei saa
Kui kvarkidel on kõigil murdlaeng, ei ole kvark looduses kunagi vabalt olemas; see on tingitud põhijõust, mida nimetatakse "tugevaks jõuks". Tugev jõud, mida vahendab jõudu kandvad osakesed, mida nimetatakse gluunideks, toimivad aatomite tuumas ja hoiavad kvarke ühele ligitõmbavana teine. Kvarkide vaheline jõud suureneb nende liikumisel, tagades, et vaba kvarki ei avastata kunagi. Kvarkide ja gluuonide vastastikmõjudele pühendatud uurimisvaldkonda nimetatakse kvantkromodünaamikaks (QCD). Leptonid on seevastu väga "sõltumatud" osakesed ja neid saab isoleerida.
Kvarkid ja leptoonid alluvad erinevatele põhijõududele
Looduses on neli põhijõudu: tugev jõud (mis hoiab koos aatomituumi ja kvarke), nõrk jõud (mis vastutab radioaktiivne lagunemine), elektromagnetiline jõud (mis aitab aatomeid koos hoida) ja gravitatsioonijõud (mis toimib mis tahes objektil, mille mass või energia on universumis). Kvarkidele alluvad kõik põhijõud; Leptonid alluvad seevastu kõikidele jõududele, välja arvatud tugev jõud. Seda seetõttu, et tugeval jõul on väga lühike ulatus, tavaliselt väiksem kui aatomituuma oma; seetõttu piirdub tugev jõud üldjuhul selles piirkonnas. Nõrgad, elektromagnetilised ja gravitatsioonijõud võivad seevastu toimida palju suuremal kaugusel kui tugev jõud.