Deeltjesfysica is het deelgebied van de natuurkunde dat zich bezighoudt met de studie van elementaire subatomaire deeltjes - de deeltjes waaruit atomen bestaan. In het begin van de 20e eeuw werden veel experimentele doorbraken gemaakt die suggereerden dat atomen, waarvan werd aangenomen dat ze het kleinste bestanddeel van materie waren, uit nog kleinere deeltjes bestonden. Er zijn nieuwe theorieën bedacht om dit te verklaren (zoals het standaardmodel van deeltjesfysica), er zijn veel nieuwe experimenten ontworpen (met behulp van apparatuur zoals deeltjesversnellers) en het werd geleidelijk duidelijk dat de deeltjes waaruit atomen bestaan, zelfs kunnen worden afgebroken verder. Twee voorbeelden van dergelijke deeltjes zijn quarks en leptonen, en hoewel dit soort deeltjes veel gemeen hebben, zijn hun verschillen vaak groot.
Quarks en leptonen zijn beide fundamentele deeltjes
Quarks (genoemd door Nobelprijswinnaar Murray Gell-Mann naar een citaat in het boek "Finnegan's Wake" van James Joyce) en leptonen worden momenteel beschouwd als de meest fundamentele deeltjes die er bestaan; dat wil zeggen, ze kunnen niet worden afgebroken tot verdere samenstellende deeltjes. Quarks en leptonen zijn zelf ook geen deeltjes; ze verwijzen eerder naar families van deeltjes, die elk zes leden bevatten. De quarkfamilie van deeltjes bestaat uit up, down, top, bottom, charm en vreemde deeltjes, terwijl leptonen bestaan uit het elektron, elektron neutrino, muon, muon neutrino, tau en tau neutrino deeltjes. Er zijn ook antideeltjes geassocieerd met elk deeltje, het antideeltje is de spiegel tegenover het overeenkomstige deeltje (bijvoorbeeld met de tegenovergestelde lading).
Leptonen hebben een geheel getal; Quarks hebben fractionele lading
Leptonen hebben een elektrische lading van één fundamentele ladingseenheid (gedefinieerd als de lading van een enkele) elektron), in het geval van het elektron, muon of tau, of geen lading, in het geval van de overeenkomstige neutrino's. Quarks daarentegen hebben elk fractionele ladingen ( +/- 1/3 of +/- 2/3, afhankelijk van de quark). Wanneer deze quarks bij elkaar worden gegroepeerd, telt de som van hun ladingen altijd op tot een geheel getal. Als bijvoorbeeld twee up-quarks en één down-quark (met ladingen van respectievelijk +2/3 en -1/3) worden gegroepeerd, wordt de som van de ladingen opgeteld tot +1 en wordt een nieuw deeltje gecreëerd. Dit nieuwe deeltje is het proton, een van de belangrijkste componenten van de atoomkern.
Leptonen kunnen vrij bestaan; Quarks kunnen niet
Hoewel quarks allemaal een fractionele lading hebben, zal een quark nooit vrij in de natuur bestaan; dit komt door een fundamentele kracht die bekend staat als de 'sterke kracht'. De sterke kracht, die wordt bemiddeld door krachtdragende deeltjes genaamd gluonen, werken in de kern van atomen en houden quarks aangetrokken tot één een ander. De kracht tussen quarks neemt toe naarmate ze uit elkaar bewegen, zodat een vrije quark nooit wordt gedetecteerd. Het vakgebied dat zich toelegt op de interacties tussen quarks en gluonen wordt kwantumchromodynamica (QCD) genoemd. Leptonen daarentegen zijn zeer "onafhankelijke" deeltjes en kunnen worden geïsoleerd.
Quarks en leptonen zijn onderhevig aan verschillende fundamentele krachten
Er zijn vier fundamentele krachten in de natuur: de sterke kracht (die atoomkernen en quarks bij elkaar houdt), de zwakke kracht (die verantwoordelijk is voor radioactief verval), de elektromagnetische kracht (die helpt atomen bij elkaar te houden) en de zwaartekracht (die elk object met massa of energie in de universum). Quarks zijn onderhevig aan alle fundamentele krachten; leptonen daarentegen zijn onderhevig aan alle krachten behalve de sterke kracht. Dit komt omdat de sterke kracht een zeer kort bereik heeft, meestal kleiner dan dat van een atoomkern; daarom is de sterke kracht over het algemeen beperkt tot dit gebied. De zwakke, elektromagnetische en zwaartekrachten daarentegen kunnen over een veel grotere afstand werken dan de sterke kracht.