Partikkelfysikk er underfeltet i fysikk som omhandler studiet av elementære subatomære partikler - partiklene som utgjør atomer. Tidlig på 1900-tallet ble det gjort mange eksperimentelle gjennombrudd som antydet at atomer, som ble antatt å være den minste komponenten av materie, besto av enda mindre partikler. Nye teorier ble utviklet for å forklare dette (som standardmodellen for partikkelfysikk), mange nye eksperimenter ble designet (ved bruk av utstyr som partikkelakseleratorer) og det ble etter hvert klart at partiklene som utgjør atomer kan brytes ned jevnt lengre. To eksempler på slike partikler er kvarker og leptoner, og mens disse typer partikler har mye til felles, er forskjellene ofte sterke.
Quarks og Leptons er begge grunnleggende partikler
Quarks (oppkalt av Nobelprisvinneren Murray Gell-Mann etter et sitat i boken "Finnegan's Wake" av James Joyce) og leptoner antas for tiden å være de mest grunnleggende partiklene som eksisterer; det vil si at de ikke kan brytes ned i ytterligere bestanddeler. Kvarker og leptoner er heller ikke selve partikler; snarere refererer de til familier av partikler, som hver inneholder seks medlemmer. Kvarkfamilien av partikler består av opp, ned, topp, bunn, sjarm og rare partikler, mens leptoner består av elektron, elektron nøytrino, muon, muon nøytrino, tau og tau nøytrino partikler. Det er også antipartikler assosiert med hver partikkel, hvor antipartiklene er speilet motsatt av den tilsvarende partikkelen (f.eks. Med motsatt ladning).
Leptons har heltall; Quarks har brøkdeler
Leptoner har en elektrisk ladning på enten en grunnladningsenhet (definert som ladningen til en enkelt elektron), når det gjelder elektronet, muon eller tau, eller uten kostnad, når det gjelder det tilsvarende nøytrinoer. Quarks, derimot, har hver brøkdel (+/- 1/3 eller +/- 2/3, avhengig av kvark). Når disse kvarkene er gruppert sammen, legger summen av kostnadene alltid til et heltall. For eksempel, hvis to oppkvarker og en nedkvark (med ladninger på henholdsvis +2/3 og -1/3) er gruppert, legger summen av ladningene opp til +1, og en ny partikkel opprettes. Denne nye partikkelen er protonen, en av hovedkomponentene i atomkjernen.
Leptoner kan eksistere fritt; Quarks kan ikke
Mens kvarker alle har en brøkdel, vil en kvark aldri fritt eksistere i naturen; dette er på grunn av en grunnleggende styrke kjent som "sterk styrke". Den sterke kraften, som formidles av kraftbærende partikler som kalles gluoner, virker i atomkjernen og holder kvarker tiltrukket av en en annen. Kraften mellom kvarkene øker når de beveger seg fra hverandre, slik at en fri kvark aldri blir oppdaget. Studiefeltet dedikert til samspillet mellom kvarker og gluoner kalles kvantekromodynamikk (QCD). Leptoner, derimot, er veldig "uavhengige" partikler, og de kan isoleres.
Kvarker og leptoner er underlagt forskjellige grunnleggende krefter
Det er fire grunnleggende krefter i naturen: den sterke kraften (som holder atomkjerner og kvarker sammen), den svake kraften (som er ansvarlig for radioaktivt forfall), den elektromagnetiske kraften (som hjelper med å holde atomer sammen) og gravitasjonskraften (som virker på et hvilket som helst objekt med masse eller energi i univers). Kvarker er underlagt alle de grunnleggende kreftene; leptoner, derimot, er underlagt alle krefter bortsett fra den sterke kraften. Dette er fordi den sterke kraften har en veldig kort rekkevidde, vanligvis mindre enn den til en atomkjerne; derfor er den sterke styrken generelt begrenset til dette området. De svake, elektromagnetiske og gravitasjonskreftene, derimot, kan virke over en mye større avstand enn den sterke kraften kan.