מה ההבדל בין קווארקים ללפטונים?

פיזיקת החלקיקים היא תת-תחום הפיזיקה העוסק בחקר חלקיקים תת-אטומיים יסודיים - החלקיקים המרכיבים אטומים. בתחילת המאה ה -20 בוצעו פריצות דרך ניסיוניות רבות שהצביעו על כך שהאטומים, אשר האמינו שהם המרכיב הקטן ביותר בחומר, מורכבים מחלקיקים קטנים עוד יותר. תיאוריות חדשות הומצאו כדי להסביר זאת (כגון המודל הסטנדרטי לפיסיקת החלקיקים), תוכננו ניסויים חדשים רבים (באמצעות ציוד כמו מאיצי חלקיקים) ובהדרגה התברר כי החלקיקים המרכיבים אטומים עשויים להתפרק אפילו נוסף. שתי דוגמאות לחלקיקים כאלה הן קווארקים ולפטונים, ולמרות שיש סוגים משותפים של חלקיקים אלה, לעתים קרובות ההבדלים ביניהם הם ברורים.

קווארקס (נקרא על ידי חתן פרס נובל מורי גל-מאן על שם ציטוט בספר "התעוררותו של פינגן" מאת ג'יימס ג'ויס) והלפטונים נחשבים כיום לחלקיקים הבסיסיים ביותר שקיימים; כלומר, לא ניתן לפרק אותם לחלקיקים מכילים נוספים. הקווארקים והלפטונים הם גם לא עצמם חלקיקים; אלא הם מתייחסים למשפחות של חלקיקים, שכל אחד מהם מכיל שישה חברים. משפחת החלקיקים הקווארקית מורכבת מעלה, מטה, עליונה, תחתית, קסם וחלקיקים מוזרים, בעוד לפטונים מורכבים מהאלקטרון, האלקטרונין ניטרינו, המואון, המואון הניוטרינו, הטאו והטאו הניוטרינו חלקיקים. ישנם גם חלקיקים הקשורים לכל חלקיק, כאשר החלקיקים הם המראה הנגדית לחלקיק המקביל (למשל בעל המטען ההפוך).

לפטונים יש מטען חשמלי של יחידת מטען בסיסית אחת (מוגדרת כמטען של יחיד אלקטרון), במקרה של האלקטרון, מיון או טאו, או ללא תשלום, במקרה של המקביל נייטרינים. לעומת זאת, לקווארקים יש מטענים חלקיים (+/- 1/3 או +/- 2/3, תלוי בקווארק). כאשר הקווארקים הללו מקובצים יחד, סכום החיובים שלהם מצטבר תמיד לחיוב שלם. לדוגמא, אם שני קווארקים למעלה ו- Quark אחד למטה (עם מטענים של +2/3 ו- -1/3 בהתאמה) מקובצים יחד, סכום המטענים מצטבר ל- +1, ונוצר חלקיק חדש. החלקיק החדש הזה הוא הפרוטון, אחד המרכיבים העיקריים של גרעין האטום.

בעוד שלקוורקים יש מטען חלקי, קווארק לעולם לא יתקיים בחופשיות בטבע; זה בגלל כוח יסודי המכונה "הכוח החזק". הכוח החזק, המתווך על ידי חלקיקים נושאי כוח הנקראים גלואונים, פועלים בתוך גרעין האטומים ושומרים על קוורקים נמשכים לאחד אַחֵר. הכוח בין הקוורקים גדל ככל שהם מתרחקים זה מזה, ומבטיח שלעולם לא יתגלה קוורק חופשי. תחום המחקר המוקדש לאינטראקציות בין קווארקים לבין גלואונים נקרא כרומודינמיקה קוונטית (QCD). לעומת זאת, לפטונים הם חלקיקים "עצמאיים" מאוד, והם ניתנים לבידוד.

ישנם ארבעה כוחות בסיסיים בטבע: הכוח החזק (המחזיק גרעינים אטומיים וקווארקים יחד), הכוח החלש (שאחראי על ריקבון רדיואקטיבי), הכוח האלקטרומגנטי (המסייע בשמירה על אטומים) וכוח הכבידה (הפועל בכל אובייקט עם מסה או אנרגיה בתוך עוֹלָם). הקווארקים כפופים לכל הכוחות הבסיסיים; לעומת זאת, לפטונים כפופים לכל הכוחות למעט הכוח החזק. הסיבה לכך היא שלכוח החזק טווח קצר מאוד, בדרך כלל קטן מזה של גרעין אטום; לכן, הכוח החזק מוגבל בדרך כלל לאזור זה. לעומת זאת, הכוחות החלשים, האלקטרומגנטיים והכבידה יכולים לפעול במרחק גדול בהרבה מכפי שהכוח החזק יכול.