La fisica delle particelle è il sottocampo della fisica che si occupa dello studio delle particelle subatomiche elementari, le particelle che compongono gli atomi. All'inizio del XX secolo, sono state fatte molte scoperte sperimentali che hanno suggerito che gli atomi, che si credeva fossero il componente più piccolo della materia, fossero costituiti da particelle ancora più piccole. Nuove teorie sono state ideate per spiegare questo (come il Modello Standard della Fisica delle Particelle), sono stati progettati molti nuovi esperimenti (usando apparecchiature come gli acceleratori di particelle) ed è diventato gradualmente chiaro che le particelle che compongono gli atomi possono essere scomposte anche ulteriore. Due esempi di tali particelle sono i quark ei leptoni, e sebbene questi tipi di particelle abbiano molto in comune, le loro differenze sono spesso nette.
Quark e leptoni sono entrambe particelle fondamentali
I quark (chiamati dal premio Nobel Murray Gell-Mann dopo una citazione nel libro "Finnegan's Wake" di James Joyce) e i leptoni sono attualmente ritenuti le particelle più fondamentali esistenti; cioè, non possono essere scomposti in ulteriori particelle costituenti. Anche quark e leptoni non sono particelle; piuttosto, si riferiscono a famiglie di particelle, ciascuna contenente sei membri. La famiglia di particelle di quark è costituita da particelle up, down, top, bottom, charm e strane, mentre i leptoni sono costituiti da elettrone, neutrino elettronico, muone, neutrino muonico, neutrino tau e tau particelle. Ci sono anche antiparticelle associate a ciascuna particella, l'antiparticella essendo lo specchio opposto della particella corrispondente (ad esempio avente la carica opposta).
I leptoni hanno una carica intera; I quark hanno carica frazionaria
I leptoni hanno una carica elettrica di un'unità di carica fondamentale (definita come la carica di un singolo elettrone), nel caso dell'elettrone, muone o tau, o senza carica, nel caso del corrispondente neutrini. I quark, d'altra parte, hanno ciascuno cariche frazionarie ( +/- 1/3 o +/- 2/3, a seconda del quark). Quando questi quark sono raggruppati insieme, la somma delle loro cariche si somma sempre a una carica intera. Ad esempio, se vengono raggruppati due quark up e un quark down (con cariche rispettivamente di +2/3 e -1/3), la somma delle cariche dà +1 e viene creata una nuova particella. Questa nuova particella è il protone, uno dei principali componenti del nucleo atomico.
I leptoni possono esistere liberamente; I quark non possono
Mentre i quark hanno tutti una carica frazionaria, un quark non esisterà mai liberamente in natura; questo a causa di una forza fondamentale nota come "forza forte". La forza forte, che è mediata da particelle portatrici di forza chiamate gluoni, agisce all'interno del nucleo degli atomi e mantiene i quark attratti da uno un altro. La forza tra i quark aumenta man mano che si allontanano, assicurando che un quark libero non venga mai rilevato. Il campo di studio dedicato alle interazioni tra quark e gluoni si chiama cromodinamica quantistica (QCD). I leptoni, d'altra parte, sono particelle molto "indipendenti" e possono essere isolate.
Quark e leptoni sono soggetti a diverse forze fondamentali
Ci sono quattro forze fondamentali in natura: la forza forte (che tiene insieme nuclei atomici e quark), la forza debole (che è responsabile della decadimento radioattivo), la forza elettromagnetica (che aiuta a tenere insieme gli atomi) e la forza gravitazionale (che agisce su qualsiasi oggetto con massa o energia nel universo). I quark sono soggetti a tutte le forze fondamentali; i leptoni, d'altra parte, sono soggetti a tutte le forze tranne che alla forza forte. Questo perché la forza forte ha un raggio molto breve, tipicamente più piccolo di quello di un nucleo atomico; pertanto, la forza forte è generalmente confinata in quest'area. Le forze deboli, elettromagnetiche e gravitazionali, d'altra parte, possono agire su una distanza molto maggiore di quella forte.