Fizica particulelor este subcâmpul fizicii care se ocupă cu studiul particulelor subatomice elementare - particulele care alcătuiesc atomii. La începutul secolului al XX-lea, s-au făcut multe descoperiri experimentale care au sugerat că atomii, despre care se credea că sunt cea mai mică componentă a materiei, erau alcătuite din particule și mai mici. Au fost concepute noi teorii pentru a explica acest lucru (cum ar fi Modelul standard al fizicii particulelor), au fost concepute multe noi experimente (folosind echipamente precum acceleratoarele de particule) și a devenit treptat clar că particulele care formează atomi pot fi descompuse chiar mai departe. Două exemple de astfel de particule sunt quarks și leptoni și, în timp ce aceste tipuri de particule au multe în comun, diferențele lor sunt adesea puternice.
Quarcurile și Leptonii sunt ambele particule fundamentale
Cuarcul (numit de Murray Gell-Mann, laureat al premiului Nobel, după un citat din cartea „Trezirea lui Finnegan” de James Joyce) și leptonii sunt considerate în prezent cele mai fundamentale particule care există; adică nu pot fi descompuse în alte particule constitutive. Cuarcii și leptonii nu sunt, de asemenea, particule; mai degrabă, ele se referă la familii de particule, fiecare conținând șase membri. Familia de particule de quark este formată din sus, în jos, sus, jos, farmec și particule ciudate, în timp ce leptonii constau din electron, neutrino electron, muon, neutrino muon, tau și tau neutrino particule. Există, de asemenea, antiparticule asociate cu fiecare particulă, antiparticula fiind oglinda opusă particulei corespunzătoare (de exemplu, având sarcina opusă).
Leptonii au încărcare întregi; Quarkii au o taxă fracționată
Leptonii au o sarcină electrică a uneia dintre unitățile de încărcare fundamentale (definită ca sarcina unei singure electron), în cazul electronului, muonului sau tau, sau fără taxă, în cazul corespunzătorului neutrini. Cuarcul, pe de altă parte, fiecare are sarcini fracționate (+/- 1/3 sau +/- 2/3, în funcție de quark). Când acești quarcuri sunt grupați, suma sarcinilor lor se adaugă întotdeauna la o sarcină întreagă. De exemplu, dacă doi quark în sus și un quark în jos (cu sarcini de +2/3 și respectiv -1/3) sunt grupate împreună, suma sarcinilor se adaugă la +1 și se creează o nouă particulă. Această nouă particulă este protonul, una dintre componentele majore ale nucleului atomic.
Leptonii pot exista liber; Quarks nu poate
În timp ce quarkii au o sarcină fracționată, un quark nu va exista niciodată în mod liber în natură; acest lucru se datorează unei forțe fundamentale cunoscute sub numele de „forța puternică”. Forța puternică, care este mediată de particule purtătoare de forță numite gluoni, acționează în nucleul atomilor și păstrează quarcii atrași de unul un alt. Forța dintre quarks crește pe măsură ce se îndepărtează, asigurându-se că un quark liber nu este niciodată detectat. Câmpul de studiu dedicat interacțiunilor dintre quarks și gluoni se numește cromodinamică cuantică (QCD). Leptonii, pe de altă parte, sunt particule foarte „independente” și pot fi izolate.
Cuarcii și leptonii sunt supuși diferitelor forțe fundamentale
Există patru forțe fundamentale în natură: forța puternică (care ține împreună nucleii atomici și quarks), forța slabă (care este responsabilă de radioactivă), forța electromagnetică (care ajută la menținerea atomilor laolaltă) și forța gravitațională (care acționează orice obiect cu masă sau energie în univers). Cuarcurile sunt supuse tuturor forțelor fundamentale; pe de altă parte, leptonii sunt supuși tuturor forțelor, cu excepția forței puternice. Acest lucru se datorează faptului că forța puternică are un interval foarte scurt, de obicei mai mic decât cel al unui nucleu atomic; prin urmare, forța puternică se limitează în general la această zonă. Forțele slabe, electromagnetice și gravitaționale, pe de altă parte, pot acționa pe o distanță mult mai mare decât poate forța puternică.