Fisika partikel adalah subbidang fisika yang berhubungan dengan studi partikel subatomik dasar -- partikel yang membentuk atom. Pada awal abad ke-20, banyak terobosan eksperimental dibuat yang menunjukkan bahwa atom, yang diyakini sebagai komponen terkecil dari materi, terdiri dari partikel yang lebih kecil lagi. Teori-teori baru dirancang untuk menjelaskan hal ini (seperti Model Standar Fisika Partikel), banyak eksperimen baru dirancang (menggunakan peralatan seperti akselerator partikel) dan secara bertahap menjadi jelas bahwa partikel yang membentuk atom dapat dipecah bahkan lebih lanjut. Dua contoh partikel tersebut adalah quark dan lepton, dan meskipun jenis partikel ini memiliki banyak kesamaan, perbedaannya seringkali mencolok.
Quark dan Lepton Keduanya Partikel Fundamental
Quark (dinamai oleh pemenang hadiah Nobel Murray Gell-Mann setelah kutipan dalam buku "Finnegan's Wake" oleh James Joyce) dan lepton saat ini diyakini sebagai partikel paling fundamental yang ada; yaitu, mereka tidak dapat dipecah menjadi partikel penyusun lebih lanjut. Quark dan lepton juga bukan partikel; melainkan, mereka merujuk pada keluarga partikel, masing-masing berisi enam anggota. Keluarga quark dari partikel terdiri dari atas, bawah, atas, bawah, pesona dan partikel aneh, sementara lepton terdiri dari elektron, neutrino elektron, muon, muon neutrino, tau neutrino dan tau partikel. Ada juga antipartikel yang terkait dengan setiap partikel, antipartikel menjadi cermin yang berlawanan dari partikel yang sesuai (misalnya memiliki muatan yang berlawanan).
Lepton Memiliki Muatan Integer; Quark Memiliki Muatan Pecahan
Lepton memiliki muatan listrik dari salah satu unit muatan dasar (didefinisikan sebagai muatan satu elektron), dalam kasus elektron, muon atau tau, atau tanpa muatan, dalam kasus yang sesuai neutrino. Quark, di sisi lain, masing-masing memiliki muatan pecahan ( +/- 1/3 atau +/- 2/3, tergantung pada quarknya). Ketika quark-quark ini dikelompokkan bersama, jumlah muatannya selalu bertambah hingga muatan bilangan bulat. Sebagai contoh, jika dua quark atas dan satu quark bawah (dengan muatan +2/3 dan -1/3, masing-masing) dikelompokkan bersama, jumlah muatan bertambah hingga +1, dan partikel baru akan tercipta. Partikel baru ini adalah proton, salah satu komponen utama inti atom.
Lepton Bisa Ada Secara Bebas; Quark Tidak Bisa
Sementara semua quark memiliki muatan fraksional, quark tidak akan pernah ada secara bebas di alam; ini karena gaya fundamental yang dikenal sebagai "kekuatan kuat". Kekuatan kuat, yang dimediasi oleh partikel pembawa gaya yang disebut gluon, bekerja di dalam inti atom dan membuat quark tetap tertarik pada satu lain. Gaya antara quark meningkat saat mereka bergerak terpisah, memastikan bahwa quark bebas tidak pernah terdeteksi. Bidang studi yang didedikasikan untuk interaksi antara quark dan gluon disebut quantum chromodynamics (QCD). Lepton, di sisi lain, adalah partikel yang sangat "independen", dan dapat diisolasi.
Quark dan Lepton Mengalami Gaya Fundamental yang Berbeda Different
Ada empat gaya fundamental di alam: gaya kuat (yang menyatukan inti atom dan quark), gaya lemah (yang bertanggung jawab untuk peluruhan radioaktif), gaya elektromagnetik (yang membantu menyatukan atom-atom) dan gaya gravitasi (yang bekerja pada benda apa pun dengan massa atau energi di alam semesta). Quark tunduk pada semua gaya fundamental; lepton, di sisi lain, tunduk pada semua kekuatan kecuali kekuatan yang kuat. Ini karena gaya kuat memiliki jangkauan yang sangat pendek, biasanya lebih kecil daripada inti atom; oleh karena itu, gaya kuat umumnya terbatas pada area ini. Gaya lemah, elektromagnetik dan gravitasi, di sisi lain, dapat bekerja pada jarak yang jauh lebih besar daripada gaya kuat.