Daļiņu fizika ir fizikas apakšnozare, kas nodarbojas ar elementāru subatomisko daļiņu - daļiņu, kas veido atomus, izpēti. 20. gadsimta sākumā tika veikti daudzi eksperimentāli sasniegumi, kas liecināja, ka atomus, kas, domājams, ir vismazākā vielas sastāvdaļa, veido vēl mazākas daļiņas. Lai to izskaidrotu, tika izstrādātas jaunas teorijas (piemēram, daļiņu fizikas standarta modelis), tika izstrādāti daudzi jauni eksperimenti (izmantojot iekārtas, piemēram, daļiņu paātrinātāji), un pamazām kļuva skaidrs, ka daļiņas, kas veido atomus, var sadalīties vienmērīgi tālāk. Divi šādu daļiņu piemēri ir kvarki un leptoni, un, lai gan šāda veida daļiņām ir daudz kopīga, to atšķirības bieži ir krasas.
Kvarki un leptoni ir abas fundamentālās daļiņas
Pašlaik tiek uzskatīts, ka kvarki (kurus nosaucis Nobela prēmijas laureāts Marejs Gel-Manns pēc Džeimsa Džoisa grāmatas "Finnegan's Wake" citāta) un leptoni ir visbūtiskākās esošās daļiņas; tas ir, tos nevar sadalīt turpmākajās sastāvdaļās. Kvarki un leptoni arī paši nav daļiņas; tie drīzāk attiecas uz daļiņu ģimenēm, kurās katrā ir seši dalībnieki. Kvarku daļiņu ģimene sastāv no augšas, uz leju, no augšas, uz leju, šarmu un dīvainām daļiņām, savukārt leptoni sastāv no elektrona, elektronu neitrīno, muonu, muonu neitrīno, tau un tau neitrīno daļiņas. Ar katru daļiņu ir saistītas arī antivielas, antivielas ir spogulis pretī attiecīgajai daļiņai (piemēram, ar pretēju lādiņu).
Leptoniem ir vesels lādiņš; Kvarkiem ir frakcionēta maksa
Leptoniem ir vai nu viena vai otra pamata uzlādes vienības elektriskā lādiņa (definēta kā viena uzlādes vienība) elektrons), elektrona, muona vai tau gadījumā vai bez maksas, attiecīgā gadījumā neitrīno. Savukārt kvarkiem katram ir frakcionāli lādiņi (+/- 1/3 vai +/- 2/3, atkarībā no kvarka). Kad šie kvarki ir sagrupēti kopā, to lādiņu summa vienmēr summējas ar veselu skaitli. Piemēram, ja divi augšējie kvarki un viens lejaskvarks (ar lādiņiem attiecīgi +2/3 un -1/3) ir sagrupēti, lādiņu summa sasniedz +1 un tiek izveidota jauna daļiņa. Šī jaunā daļiņa ir protons, viens no galvenajiem atoma kodola komponentiem.
Leptoni var pastāvēt brīvi; Kvarki Nevar
Kaut arī visiem kvarkiem ir daļējs lādiņš, dabā kvarki nekad brīvi nepastāvēs; tas ir saistīts ar fundamentālu spēku, kas pazīstams kā "spēcīgs spēks". Spēcīgais spēks, kura starpniecību ir spēkus nesošās daļiņas, ko dēvē par gluoniem, darbojas atomu kodolā un notur kvarkus cits. Spēks starp kvarkiem palielinās, attālinoties, nodrošinot, ka brīvais kvarks nekad netiek atklāts. Pētījuma jomu, kas veltīta mijiedarbībai starp kvarkiem un gluoniem, sauc par kvantu hromodinamiku (QCD). Savukārt leptoni ir ļoti "neatkarīgas" daļiņas, un tos var izolēt.
Kvarki un leptoni ir pakļauti dažādiem pamatspēkiem
Dabā ir četri pamatspēki: spēcīgais spēks (kas satur atomu kodolus un kvarkus kopā), vājais spēks (kas ir atbildīgs par radioaktīvā sabrukšana), elektromagnētiskais spēks (kas palīdz saglabāt atomus kopā) un gravitācijas spēks (kas iedarbojas uz jebkuru objektu ar masu vai enerģiju Visums). Kvarki ir pakļauti visiem pamatspēkiem; Savukārt leptoni ir pakļauti visiem spēkiem, izņemot spēcīgo spēku. Tas ir tāpēc, ka spēcīgajam spēkam ir ļoti mazs diapazons, parasti mazāks nekā atoma kodolam; tāpēc spēcīgais spēks parasti aprobežojas ar šo apgabalu. Savukārt vājie, elektromagnētiskie un gravitācijas spēki var darboties daudz lielākā attālumā nekā spēcīgais spēks.