Hiukkasfysiikka on fysiikan osa-alue, joka käsittelee alkuaineisten subatomisten hiukkasten - atomien muodostavien hiukkasten - tutkimusta. 1900-luvun alkupuolella tehtiin monia kokeellisia läpimurtoja, jotka viittasivat siihen, että atomit, joiden uskottiin olevan aineen pienin komponentti, koostuvat vielä pienemmistä hiukkasista. Tämän selittämiseksi kehitettiin uusia teorioita (kuten hiukkasfysiikan standardimalli), suunniteltiin monia uusia kokeita (käyttäen kuten hiukkaskiihdyttimet) ja vähitellen kävi selväksi, että atomien muodostavat hiukkaset voivat hajota tasaisesti edelleen. Kaksi esimerkkiä tällaisista hiukkasista ovat kvarkit ja leptonit, ja vaikka tämän tyyppisillä hiukkasilla on paljon yhteistä, niiden erot ovat usein suuria.
Kvarkit ja leptonit ovat molemmat perushiukkasia
Quarksin (jonka Nobel-palkinnon saanut Murray Gell-Mann nimitti James Joycen kirjan "Finnegan's Wake" lainauksen jälkeen) ja leptonien uskotaan olevan nykyisin perustavanlaatuisimpia hiukkasia; toisin sanoen niitä ei voida jakaa muihin aineosiin. Kvarkit ja leptonit eivät myöskään ole itse hiukkasia; pikemminkin ne viittaavat hiukkasperheisiin, joista jokaisessa on kuusi jäsentä. Quark-hiukkasten perhe koostuu ylös, alas, ylhäältä, alhaalta, viehätyksestä ja outoista hiukkasista, kun taas leptonit koostuvat elektronista, elektronineutriinosta, muonista, muonineutriinosta, tauista ja tau-neutriinosta hiukkasia. Kuhunkin hiukkaseen liittyy myös antihiukkasia, jolloin vasta-aine on vastaavaa hiukkaa vastapäätä oleva peili (esim. Jolla on vastakkainen varaus).
Leptoneilla on kokonaislataus; Kvarkeilla on murto-lataus
Leptoneilla on jommankumman perusvarausyksikön sähkövaraus (määritelty yhden latauksen latauksena) elektroni), elektronin, muonin tai tau: n tapauksessa tai ei varausta, vastaavan tapauksessa neutriinot. Toisaalta kvarkeilla on murtovarauksia (+/- 1/3 tai +/- 2/3 kvarkista riippuen). Kun nämä kvarkit ryhmitellään yhteen, niiden varausten summa on aina kokonaislataus. Esimerkiksi, jos kaksi ylöskvarkkia ja yksi alas kvarkki (varauksilla +2/3 ja -1/3, vastaavasti) ryhmitetään yhteen, varausten summa on +1, ja luodaan uusi hiukkanen. Tämä uusi hiukkanen on protoni, yksi atomiytimen pääkomponenteista.
Leptonit voivat olla vapaasti; Quarks ei voi
Vaikka kaikilla kvarkeilla on murto-varaus, kvarkkia ei koskaan ole luonnossa vapaasti; tämä johtuu perusvoimasta, joka tunnetaan nimellä "vahva voima". Vahva voima, jonka välittää voimaa kantavat hiukkaset, joita kutsutaan gluoneiksi, toimivat atomien ytimessä ja pitävät kvarkit houkuteltuna yhteen toinen. Kvarkkien välinen voima kasvaa, kun ne liikkuvat toisistaan varmistaen, että vapaata kvarkkia ei koskaan havaita. Kvarkkien ja gluonien vuorovaikutukselle omistettua tutkimusaluetta kutsutaan kvanttikromodynamiikaksi (QCD). Leptonit ovat toisaalta hyvin "itsenäisiä" hiukkasia, ja ne voidaan eristää.
Kvarkit ja leptonit ovat eri perusvoimien alaisia
Luonnossa on neljä perusvoimaa: vahva voima (joka pitää ytimet ja kvarkit yhdessä), heikko voima (joka on vastuussa radioaktiivinen hajoaminen), sähkömagneettinen voima (joka auttaa pitämään atomeja yhdessä) ja painovoima (joka vaikuttaa mihin tahansa esineeseen, jonka massa tai energia on maailmankaikkeus). Kvarkit ovat kaikkien perusvoimien alaisia; Leptonit puolestaan ovat kaikkien voimien alaisia paitsi voimakas voima. Tämä johtuu siitä, että voimakkaalla voimalla on hyvin lyhyt kantama, tyypillisesti pienempi kuin atomiatumalla; siksi vahva voima rajoittuu yleensä tälle alueelle. Heikot, sähkömagneettiset ja gravitaatiovoimat voivat toisaalta toimia paljon suuremmalla etäisyydellä kuin voimakas voima.