La physique des particules est le sous-domaine de la physique qui traite de l'étude des particules subatomiques élémentaires - les particules qui composent les atomes. Au début du 20e siècle, de nombreuses percées expérimentales ont été faites qui ont suggéré que les atomes, que l'on croyait être le plus petit composant de la matière, étaient constitués de particules encore plus petites. De nouvelles théories ont été conçues pour expliquer cela (comme le modèle standard de physique des particules), de nombreuses nouvelles expériences ont été conçues (en utilisant équipements tels que les accélérateurs de particules) et il est progressivement devenu évident que les particules constituant les atomes peuvent être décomposées même plus loin. Deux exemples de telles particules sont les quarks et les leptons, et bien que ces types de particules aient beaucoup en commun, leurs différences sont souvent flagrantes.
Les quarks et les leptons sont tous deux des particules fondamentales
Les quarks (nommés par le lauréat du prix Nobel Murray Gell-Mann d'après une citation du livre « Finnegan's Wake » de James Joyce) et les leptons sont actuellement considérés comme les particules les plus fondamentales qui existent; c'est-à-dire qu'ils ne peuvent pas être décomposés en d'autres particules constituantes. Les quarks et les leptons ne sont pas non plus eux-mêmes des particules; ils se réfèrent plutôt à des familles de particules, chacune contenant six membres. La famille des quarks de particules comprend les particules haut, bas, haut, bas, charme et étranges, tandis que les leptons sont constitués de l'électron, du neutrino électronique, du muon, du neutrino du muon, du tau et du neutrino tau particules. Il existe également des antiparticules associées à chaque particule, l'antiparticule étant le miroir opposé à la particule correspondante (par exemple ayant la charge opposée).
Les leptons ont une charge entière; Les quarks ont une charge fractionnaire
Les leptons ont une charge électrique d'une unité de charge fondamentale (définie comme la charge d'un seul électron), dans le cas de l'électron, du muon ou du tau, ou sans charge, dans le cas du correspondant neutrinos. Les quarks, en revanche, ont chacun des charges fractionnaires ( +/- 1/3 ou +/- 2/3, selon le quark). Lorsque ces quarks sont regroupés, la somme de leurs charges s'additionne toujours à une charge entière. Par exemple, si deux quarks up et un quark down (avec des charges de +2/3 et -1/3, respectivement) sont regroupés, la somme des charges s'élève à +1 et une nouvelle particule est créée. Cette nouvelle particule est le proton, l'un des composants majeurs du noyau atomique.
Les leptons peuvent exister librement; Les quarks ne peuvent pas
Alors que les quarks ont tous une charge fractionnaire, un quark n'existera jamais librement dans la nature; c'est à cause d'une force fondamentale connue sous le nom de « force forte ». La force forte, qui est médiatisée par particules porteuses de force appelées gluons, agit dans le noyau des atomes et maintient les quarks attirés par l'un une autre. La force entre les quarks augmente au fur et à mesure qu'ils s'éloignent, garantissant qu'un quark libre n'est jamais détecté. Le domaine d'étude dédié aux interactions entre quarks et gluons s'appelle la chromodynamique quantique (QCD). Les leptons, par contre, sont des particules très "indépendantes" et peuvent être isolées.
Les quarks et les leptons sont soumis à des forces fondamentales différentes
Il existe quatre forces fondamentales dans la nature: la force forte (qui maintient ensemble les noyaux atomiques et les quarks), la force faible (qui est responsable de désintégration radioactive), la force électromagnétique (qui aide à maintenir les atomes ensemble) et la force gravitationnelle (qui agit sur tout objet ayant une masse ou une énergie dans le univers). Les quarks sont soumis à toutes les forces fondamentales; les leptons, d'autre part, sont soumis à toutes les forces à l'exception de la force forte. C'est parce que la force forte a une portée très courte, typiquement plus petite que celle d'un noyau atomique; par conséquent, la force forte est généralement confinée à cette zone. Les forces faibles, électromagnétiques et gravitationnelles, d'autre part, peuvent agir sur une distance beaucoup plus grande que la force forte.