Partikelfysik är fysikens underfält som behandlar studiet av elementära subatomära partiklar - de partiklar som utgör atomer. I början av 1900-talet gjordes många experimentella genombrott som föreslog att atomer, som trodde var den minsta komponenten i materia, bestod av ännu mindre partiklar. Nya teorier utformades för att förklara detta (såsom standardmodellen för partikelfysik), många nya experiment designades (med hjälp av utrustning som partikelacceleratorer) och det blev gradvis klart att partiklarna som utgör atomer kan brytas ner jämnt ytterligare. Två exempel på sådana partiklar är kvarkar och leptoner, och även om dessa typer av partiklar har mycket gemensamt är deras skillnader ofta starka.
Quarks och Leptons är båda grundläggande partiklar
Quarks (utnämnd av Nobelprisvinnaren Murray Gell-Mann efter ett citat i boken "Finnegan's Wake" av James Joyce) och leptoner antas för närvarande vara de mest grundläggande partiklarna som finns; det vill säga de kan inte brytas ner i ytterligare beståndsdelar. Kvarkar och leptoner är inte heller partiklar i sig; snarare hänvisar de till familjer av partiklar, som var och en innehåller sex medlemmar. Kvarkfamiljen av partiklar består av upp, ner, topp, botten, charm och konstiga partiklar, medan leptoner består av elektron, elektronneutrino, muon, muonneutrino, tau och tauneutrino partiklar. Det finns också antipartiklar associerade med varje partikel, varvid antipartiklarna är spegeln mittemot motsvarande partikel (t.ex. med motsatt laddning).
Leptons har heltalsladdning; Quarks har bråkdelar
Leptoner har en elektrisk laddning av antingen en grundladdningsenhet (definierad som laddningen för en singel elektron), när det gäller elektronen, muon eller tau, eller utan laddning, när det gäller motsvarande neutriner. Quarks, å andra sidan, har vardera bråkdelar (+/- 1/3 eller +/- 2/3, beroende på kvark). När dessa kvarker är grupperade tillsammans, summeras summan av deras avgifter alltid till en heltalsladdning. Till exempel, om två uppkvarkar och en nedkvark (med laddningar av +2/3 respektive -1/3) grupperas tillsammans, summeras laddningarna till +1 och en ny partikel skapas. Denna nya partikel är protonen, en av huvudkomponenterna i atomkärnan.
Leptoner kan existera fritt; Quarks kan inte
Medan kvarkar alla har en bråkdelad laddning, kommer en kvark aldrig att existera fritt i naturen; detta beror på en grundläggande kraft som kallas "stark kraft". Den starka kraften, som förmedlas av kraftbärande partiklar som kallas gluoner, verkar inom atomkärnan och håller kvarkar lockade till en annan. Kraften mellan kvarker ökar när de rör sig isär, vilket säkerställer att en fri kvark aldrig detekteras. Studieområdet som ägnas åt interaktioner mellan kvarker och gluoner kallas kvantkromodynamik (QCD). Leptoner är å andra sidan mycket "oberoende" partiklar och kan isoleras.
Quarks och Leptons är föremål för olika grundläggande krafter
Det finns fyra grundläggande krafter i naturen: den starka kraften (som håller atomkärnor och kvarkar ihop), den svaga kraften (som är ansvarig för radioaktivt sönderfall), den elektromagnetiska kraften (som hjälper till att hålla atomerna ihop) och gravitationskraften (som verkar något föremål med massa eller energi i universum). Kvarkar är föremål för alla de grundläggande krafterna; å andra sidan är leptoner utsatta för alla krafter utom den starka kraften. Detta beror på att den starka kraften har en mycket kort räckvidd, typiskt mindre än den hos en atomkärna; därför är den starka kraften i allmänhet begränsad till detta område. De svaga, elektromagnetiska och gravitationskrafterna kan å andra sidan verka över ett mycket större avstånd än vad den starka kraften kan.