Fizyka cząstek to poddziedzina fizyki, która zajmuje się badaniem elementarnych cząstek subatomowych – cząstek, z których składają się atomy. Na początku XX wieku dokonano wielu przełomowych odkryć, które sugerowały, że atomy, uważane za najmniejszy składnik materii, składają się z jeszcze mniejszych cząstek. Opracowano nowe teorie wyjaśniające to (takie jak Model Standardowy Fizyki Cząstek), zaprojektowano wiele nowych eksperymentów (przy użyciu sprzęt, taki jak akceleratory cząstek) i stopniowo stało się jasne, że cząstki tworzące atomy mogą być rozkładane nawet dalej. Dwoma przykładami takich cząstek są kwarki i leptony i chociaż te typy cząstek mają ze sobą wiele wspólnego, ich różnice są często wyraźne.
Kwarki i leptony są cząstkami podstawowymi
Kwarki (nazwane przez noblistę Murraya Gell-Manna na podstawie cytatu z książki „Finnegan's Wake” Jamesa Joyce'a) i leptony są obecnie uważane za najbardziej fundamentalne cząstki, jakie istnieją; to znaczy, że nie można ich rozłożyć na dalsze cząstki składowe. Kwarki i leptony również same w sobie nie są cząstkami; raczej odnoszą się do rodzin cząstek, z których każda zawiera sześć członków. Rodzina cząstek kwarkowych składa się z cząstek górnych, dolnych, górnych, dolnych, powabnych i dziwnych, podczas gdy leptony składają się z elektronu, neutrina elektronowego, mionowego, mionowego neutrina, neutrina tau i tau cząstki. Istnieją również antycząstki związane z każdą cząsteczką, przy czym antycząstka jest lustrem przeciwstawnym do odpowiedniej cząstki (np. ma przeciwny ładunek).
Leptony mają ładunek całkowity; Kwarki mają ładunek ułamkowy
Leptony mają ładunek elektryczny jednej jednostki ładunku podstawowego (definiowanego jako ładunek pojedynczej elektron), w przypadku elektronu, mionu lub tau, lub bez ładunku, w przypadku odpowiedniego neutrina. Z drugiej strony każdy z kwarków ma ładunki ułamkowe (+/- 1/3 lub +/- 2/3, w zależności od kwarka). Kiedy te kwarki są zgrupowane razem, suma ich ładunków zawsze sumuje się do ładunku całkowitego. Na przykład, jeśli dwa kwarki górne i jeden kwark dolny (o ładunkach odpowiednio +2/3 i -1/3) są zgrupowane razem, suma ładunków sumuje się do +1 i tworzona jest nowa cząstka. Ta nowa cząsteczka to proton, jeden z głównych składników jądra atomowego.
Leptony mogą istnieć swobodnie; Kwarki nie mogą
Chociaż wszystkie kwarki mają ładunek ułamkowy, kwark nigdy nie będzie swobodnie istnieć w naturze; dzieje się tak z powodu fundamentalnej siły znanej jako „silna siła”. Silna siła, w której pośredniczy cząstki przenoszące siły zwane gluonami, działają w jądrze atomów i utrzymują przyciąganie kwarków do jednego inne. Siła między kwarkami wzrasta, gdy się od siebie oddalają, zapewniając, że wolny kwark nigdy nie zostanie wykryty. Dziedzina badań poświęcona interakcjom między kwarkami i gluonami nazywa się chromodynamiką kwantową (QCD). Z drugiej strony leptony są bardzo „niezależnymi” cząstkami i można je wyizolować.
Kwarki i leptony podlegają różnym siłom podstawowym
W przyrodzie istnieją cztery fundamentalne siły: silne (utrzymujące razem jądra atomowe i kwarki), słabe oddziaływanie (które jest odpowiedzialne za rozpad radioaktywny), siłę elektromagnetyczną (która pomaga utrzymać atomy razem) i siłę grawitacyjną (działającą na dowolny obiekt o masie lub energii w wszechświat). Kwarki podlegają wszystkim podstawowym siłom; Z drugiej strony leptony podlegają wszystkim siłom z wyjątkiem siły silnej. Dzieje się tak, ponieważ siła silna ma bardzo krótki zasięg, zwykle mniejszy niż w jądrze atomowym; dlatego silna siła jest na ogół ograniczona do tego obszaru. Z drugiej strony siły słabe, elektromagnetyczne i grawitacyjne mogą działać na znacznie większą odległość niż siła silna.