Časticová fyzika je podpole fyziky, ktorá sa zaoberá štúdiom elementárnych subatomárnych častíc - častíc, ktoré tvoria atómy. Na začiatku 20. storočia došlo k mnohým experimentálnym objavom, ktoré naznačovali, že atómy, o ktorých sa verilo, že sú najmenšou zložkou hmoty, sú tvorené ešte menšími časticami. Na vysvetlenie boli vyvinuté nové teórie (napríklad Štandardný model časticovej fyziky), bolo navrhnutých veľa nových experimentov (pomocou zariadenia, ako sú urýchľovače častíc) a postupne sa ukázalo, že častice tvoriace atómy sa môžu rozkladať rovnomerne ďalej. Dva príklady takýchto častíc sú kvarky a leptóny, a hoci tieto typy častíc majú veľa spoločného, ich rozdiely sú často výrazné.
Kvarky a leptóny sú základné častice
Za najzákladnejšie častice, ktoré existujú, sa v súčasnosti považujú kvarky (pomenované nositeľom Nobelovej ceny Murrayom Gell-Mannom po citácii v knihe „Finnegan's Wake“) Joytonovi) a leptóny; to znamená, že sa nemôžu štiepiť na ďalšie základné častice. Kvarky a leptóny tiež nie sú samy o sebe časticami; skôr sa vzťahujú na rodiny častíc, z ktorých každá obsahuje šesť členov. Rodina častíc kvarkov sa skladá z horných, dolných, horných, dolných, pôvabných a zvláštnych častíc leptóny pozostávajú z elektrónu, elektrónového neutrína, miónu, miónového neutrína, tau a tau neutrína častice. S každou časticou sú spojené aj antičastice, ktoré sú zrkadlom oproti príslušnej častici (napr. S opačným nábojom).
Leptóny majú celočíselný náboj; Kvarky majú zlomkový poplatok
Leptóny majú elektrický náboj buď jednej základnej nabíjacej jednotky (definovanej ako náboj jednej) elektrón), v prípade elektrónu, miónu alebo tau, alebo bez náboja, v prípade zodpovedajúceho neutrína. Na druhej strane, kvarky majú frakčné náboje (+/- 1/3 alebo +/- 2/3, v závislosti od kvarku). Keď sú tieto kvarky zoskupené, súčet ich nábojov sa vždy zvýši na celočíselný náboj. Napríklad, ak sú zoskupené dva kvarky hore a jeden kvark dole (s nábojmi +2/3, respektíve -1/3), súčet nábojov sa zvýši na +1 a vytvorí sa nová častica. Táto nová častica je protón, jedna z hlavných zložiek atómového jadra.
Leptóny môžu existovať voľne; Kvarky nemôžu
Zatiaľ čo všetky kvarky majú zlomkový náboj, kvark v prírode nikdy nebude voľne existovať; je to kvôli základnej sile známej ako „silná sila“. Silná sila, ktorú sprostredkúva častice nesúce silu nazývané gluóny, pôsobia v jadre atómov a udržujú kvarky priťahované k jednému ďalší. Sila medzi kvarkami rastie, keď sa vzďaľujú, čím sa zabezpečí, že voľný kvark nebude nikdy detekovaný. Študijný odbor venovaný interakciám medzi kvarkami a gluónmi sa nazýva kvantová chromodynamika (QCD). Leptóny sú na druhej strane veľmi „nezávislé“ častice a je možné ich izolovať.
Kvarky a leptóny podliehajú rôznym základným silám
V prírode existujú štyri základné sily: silná sila (ktorá drží atómové jadrá a kvarky spolu), slabá sila (zodpovedná za rádioaktívny rozpad), elektromagnetická sila (ktorá pomáha udržiavať atómy pohromade) a gravitačná sila (ktorá pôsobí na akýkoľvek predmet s hmotou alebo energiou v vesmír). Kvarky podliehajú všetkým základným silám; leptóny naopak podliehajú všetkým silám okrem silnej sily. Je to tak preto, lebo silná sila má veľmi krátky rozsah, zvyčajne menší ako rozsah atómového jadra; veľká sila sa preto obvykle obmedzuje na túto oblasť. Slabé, elektromagnetické a gravitačné sily, na druhej strane, môžu pôsobiť na oveľa väčšiu vzdialenosť ako silná sila.