Qual é a diferença entre quarks e leptons?

A física de partículas é o subcampo da física que lida com o estudo das partículas subatômicas elementares - as partículas que constituem os átomos. No início do século 20, muitos avanços experimentais foram feitos sugerindo que os átomos, que se acreditava serem o menor componente da matéria, eram feitos de partículas ainda menores. Novas teorias foram elaboradas para explicar isso (como o Modelo Padrão de Física de Partículas), muitos novos experimentos foram projetados (usando equipamentos como aceleradores de partículas) e gradualmente ficou claro que as partículas que compõem os átomos podem ser quebradas até mesmo avançar. Dois exemplos dessas partículas são quarks e léptons e, embora esses tipos de partículas tenham muito em comum, suas diferenças costumam ser gritantes.

Quarks (nomeado pelo ganhador do prêmio Nobel Murray Gell-Mann após uma citação no livro "Finnegan's Wake" de James Joyce) e léptons são atualmente considerados as partículas mais fundamentais que existem; isto é, eles não podem ser decompostos em outras partículas constituintes. Quarks e léptons também não são partículas; em vez disso, eles se referem a famílias de partículas, cada uma contendo seis membros. A família de partículas quark consiste em cima, baixo, topo, base, charme e partículas estranhas, enquanto léptons consistem em elétron, neutrino de elétron, múon, neutrino de múon, tau e neutrino de tau partículas. Existem também antipartículas associadas a cada partícula, sendo a antipartícula o espelho oposto à partícula correspondente (por exemplo, tendo a carga oposta).

Os léptons têm uma carga elétrica de uma unidade de carga fundamental (definida como a carga de um único elétron), no caso do elétron, múon ou tau, ou sem carga, no caso do correspondente neutrinos. Quarks, por outro lado, cada um tem cargas fracionárias (+/- 1/3 ou +/- 2/3, dependendo do quark). Quando esses quarks são agrupados, a soma de suas cargas sempre resulta em uma carga inteira. Por exemplo, se dois quarks up e um quark down (com cargas de +2/3 e -1/3, respectivamente) são agrupados, a soma das cargas soma +1 e uma nova partícula é criada. Essa nova partícula é o próton, um dos principais componentes do núcleo atômico.

Embora todos os quarks tenham uma carga fracionária, um quark nunca existirá livremente na natureza; isso se deve a uma força fundamental conhecida como "força forte". A força forte, que é mediada por partículas portadoras de força chamadas glúons, atuam dentro do núcleo dos átomos e mantém os quarks atraídos por um outro. A força entre os quarks aumenta à medida que eles se afastam, garantindo que um quark livre nunca seja detectado. O campo de estudo dedicado às interações entre quarks e glúons é denominado cromodinâmica quântica (QCD). Os leptões, por outro lado, são partículas muito "independentes" e podem ser isolados.

Existem quatro forças fundamentais na natureza: a força forte (que mantém os núcleos atômicos e quarks juntos), a força fraca (que é responsável por decaimento radioativo), a força eletromagnética (que ajuda a manter os átomos juntos) e a força gravitacional (que atua qualquer objeto com massa ou energia no universo). Os quarks estão sujeitos a todas as forças fundamentais; léptons, por outro lado, estão sujeitos a todas as forças, exceto a força forte. Isso ocorre porque a força forte tem um alcance muito curto, normalmente menor do que o de um núcleo atômico; portanto, a força forte geralmente está confinada a essa área. As forças fracas, eletromagnéticas e gravitacionais, por outro lado, podem atuar a uma distância muito maior do que a força forte.