Fizika čestica je fizičko podpolje koje se bavi proučavanjem elementarnih subatomskih čestica - čestica koje čine atome. Početkom 20. stoljeća napravljena su mnoga eksperimentalna otkrića koja sugeriraju da su atomi, za koje se vjerovalo da su najmanja komponenta materije, sačinjeni od još manjih čestica. Osmišljene su nove teorije da bi se to objasnilo (poput Standardnog modela fizike čestica), dizajnirani su mnogi novi eksperimenti (koristeći oprema kao što su akceleratori čestica) i postupno je postalo jasno da se čestice koje čine atome mogu čak i razgraditi unaprijediti. Dva su primjera takvih čestica kvarkovi i leptoni, i premda ove vrste čestica imaju mnogo toga zajedničkog, njihove su razlike često oštre.
Kvarkovi i Leptoni su i temeljne čestice
Vjeruje se da su kvarkovi (nazvani nobelovcem Murray Gell-Mann nakon citata iz knjige "Finneganovo buđenje" Jamesa Joycea) i leptoni najtemeljnije čestice koje postoje; odnosno ne mogu se rastaviti na daljnje sastavne čestice. Kvarkovi i leptoni također nisu čestice; nego se odnose na obitelji čestica, od kojih svaka sadrži šest članova. Obitelj čestica kvarkova sastoji se od gore, dolje, gore, dna, šarma i neobičnih čestica, dok leptoni se sastoje od elektrona, elektronskog neutrina, miona, mionskog neutrina, tau i tau neutrina čestice. Uz svaku česticu postoje i antičestice, koje su zrcalo nasuprot odgovarajuće čestice (npr. Imaju suprotan naboj).
Leptoni imaju čitav naboj; Kvarkovi imaju djelomičan naboj
Leptoni imaju električni naboj bilo jedne osnovne jedinice naboja (definira se kao naboj pojedinog elektron), u slučaju elektrona, miona ili tau, ili bez naboja, u slučaju odgovarajućeg neutrina. S druge strane, kvarkovi imaju razlomljene naboje (+/- 1/3 ili +/- 2/3, ovisno o kvarku). Kada se ovi kvarkovi grupiraju, zbroj njihovih naboja uvijek se zbraja s cijelim nabojem. Na primjer, ako su dva gornja kvarka i jedan donji kvark (s nabojima od +2/3, odnosno -1/3) grupirani, zbroj naboja zbraja se na +1 i stvara se nova čestica. Ova nova čestica je proton, jedna od glavnih komponenti atomske jezgre.
Leptoni mogu postojati slobodno; Kvarkovi Ne mogu
Iako svi kvarkovi imaju djelomični naboj, kvark u prirodi nikada neće slobodno postojati; to je zbog temeljne sile poznate kao "jaka sila". Jaka sila, koja posreduje čestice koje nose silu nazvane gluoni, djeluju unutar jezgre atoma i zadržavaju kvarkove koji ih privlače još. Sila između kvarkova raste kako se razdvajaju, osiguravajući da slobodni kvark nikada ne bude otkriven. Područje proučavanja posvećeno interakcijama između kvarkova i gluona naziva se kvantna kromodinamika (QCD). S druge strane, leptoni su vrlo "neovisne" čestice i mogu se izolirati.
Kvarkovi i leptoni podložni su različitim temeljnim silama
U prirodi postoje četiri temeljne sile: jaka sila (koja drži atomske jezgre i kvarkove zajedno), slaba sila (koja je odgovorna za radioaktivni raspad), elektromagnetska sila (koja pomaže održavanju atoma na okupu) i gravitacijska sila (koja djeluje na bilo koji objekt s masom ili energijom u svemir). Kvarkovi su podložni svim temeljnim silama; s druge strane, leptoni su podložni svim silama, osim jake. To je zato što jaka sila ima vrlo mali domet, obično manji od atomske jezgre; stoga je snažna sila uglavnom ograničena na ovo područje. Slabe, elektromagnetske i gravitacijske sile, s druge strane, mogu djelovati na mnogo većoj udaljenosti od jake sile.