A részecskefizika a fizika azon részterülete, amely az elemi szubatomi részecskék - az atomokat alkotó részecskék - tanulmányozásával foglalkozik. A 20. század elején számos kísérleti áttörést hajtottak végre, amelyek azt sugallták, hogy az atomok, amelyekről azt hitték, hogy az anyag legkisebb alkotóeleme, még kisebb részecskékből állnak. Új elméleteket dolgoztak ki ennek magyarázatára (például a részecskefizika standard modelljét), sok új kísérletet terveztek ( berendezések, például részecskegyorsítók), és fokozatosan világossá vált, hogy az atomokat alkotó részecskék egyenletesek lehetnek további. Az ilyen részecskékre két példa a kvarkok és a leptonok, és bár az ilyen típusú részecskékben sok közös van, eltéréseik gyakran élesek.
A kvarkok és a leptonok egyaránt alapvető részecskék
A kvarkokat (a Nobel-díjas Murray Gell-Mann James Joyce "Finnegan ébrenléte" című könyv idézetét követően nevezte el) és a leptonokat jelenleg a létező legalapvetőbb részecskéknek tartják; vagyis nem bonthatók további alkotó részecskékre. A kvarkok és a leptonok önmagukban sem részecskék; inkább részecskecsaládokra utalnak, amelyek mindegyike hat tagot tartalmaz. A kvark részecskék családja felfelé, lefelé, felül, alulról, bájból és furcsa részecskékből áll, míg A leptonok az elektronból, az elektron-neutrino, a müon, a muon-neutrino, a tau és a tau neutrino-ból állnak részecskék. Az egyes részecskékhez antirészecskék is társulnak, az antirészecskék a megfelelő részecskékkel szemben lévő tükrök (például ellentétes töltésűek).
A leptonok egész töltéssel rendelkeznek; A kvarkoknak töredék töltete van
A leptonok egyik alapvető töltési egységének elektromos töltése van (egyetlen egység töltéseként definiálva) elektron), az elektron, a müon vagy a tau esetén, vagy nincs töltés, a megfelelő esetében neutrínók. A kvarkoknak viszont mindegyiknek van frakcionális töltése (+/- 1/3 vagy +/- 2/3, a kvarktól függően). Ha ezeket a kvarkokat csoportosítjuk, akkor a töltéseik összege mindig egy egész számot eredményez. Például, ha két fel és egy kvarkot (+2 / 3, illetve -1 / 3 töltéssel) együtt csoportosítunk, a töltések összege +1-ig adódik, és egy új részecske jön létre. Ez az új részecske a proton, az atommag egyik fő alkotóeleme.
A leptonok szabadon létezhetnek; Quarks nem tud
Míg a kvarkoknak mindegyikének van frakcionális töltése, a kvark soha nem fog szabadon létezni a természetben; ez egy "erő" néven ismert alapvető erő miatt van. Az erős erő, amelyet közvetít erőhordozó részecskék, az úgynevezett gluonok, az atomok magjában tevékenykednek, és kvarkokat vonzanak az egyikhez egy másik. A kvarkok közötti erő növekszik, amikor eltávolodnak egymástól, biztosítva, hogy soha ne észleljenek szabad kvarkot. A kvarkok és a gluonok kölcsönhatásainak szentelt kutatási területet kvantumkromodinamikának (QCD) nevezzük. A leptonok viszont nagyon "független" részecskék, és elkülöníthetők.
A kvarkokra és a leptonokra különböző alapvető erők tartoznak
A természetben négy alapvető erő létezik: az erős erő (amely együtt tartja az atommagokat és a kvarkokat), a gyenge erő (amely felelős radioaktív bomlás), az elektromágneses erő (amely segíti az atomok összetartását) és a gravitációs erő (amely bármilyen tárgyat befolyásol, világegyetem). A kvarkok az összes alapvető erőnek vannak kitéve; A leptonok viszont minden erőnek vannak kitéve, az erős erő kivételével. Ennek oka, hogy az erős erő nagyon rövid hatótávolsággal rendelkezik, jellemzően kisebb, mint egy atommagé; ezért az erős erő általában erre a területre korlátozódik. A gyenge, elektromágneses és gravitációs erők viszont sokkal nagyobb távolságra képesek hatni, mint az erős erő.