Фізика частинок - це підполе фізики, яке займається вивченням елементарних субатомних частинок - частинок, що складають атоми. На початку 20 століття було здійснено багато експериментальних проривів, які передбачали, що атоми, які, як вважали, є найменшим компонентом речовини, складаються з ще більш дрібних частинок. Для пояснення цього були розроблені нові теорії (наприклад, Стандартна модель фізики частинок), розроблено багато нових експериментів (з використанням обладнання, таке як прискорювачі частинок), і поступово стало ясно, що частинки, що утворюють атоми, можуть навіть розщеплюватися далі. Два приклади таких частинок - кварки та лептони, і хоча ці типи часток мають багато спільного, їх відмінності часто суворі.
Кварки та лептони - це фундаментальні частинки
В даний час вважається, що кварки (названі лауреатом Нобелівської премії Мюрреєм Гелл-Манном за цитатою в книзі Джеймса Джойса "Прокидання Фіннегана") і лептони є найбільш фундаментальними частинками, що існують; тобто вони не можуть бути розбиті на подальші складові частинки. Кварки та лептони також не є частинками; швидше, вони стосуються сімейств частинок, кожна з яких містить шість членів. Сімейство частинок кварків складається з вгору, вниз, зверху, знизу, чарівності та дивних частинок лептони складаються з електрона, електронного нейтрино, мюона, мюонного нейтрино, тау та тау нейтрино частинки. Існують також античастинки, пов'язані з кожною частинкою, античастинка є дзеркалом, протилежним відповідній частині (наприклад, має протилежний заряд).
Лептони мають цілочисельний заряд; Кварки мають дробовий заряд
Лептони мають електричний заряд будь-якої основної одиниці заряду (визначається як заряд одиничного електрон), у випадку електрона, мюона або тау, або відсутність заряду, у випадку відповідного нейтрино. З іншого боку, кварки мають дробові заряди (+/- 1/3 або +/- 2/3, залежно від кварку). Коли ці кварки згруповані, сума їхніх витрат завжди додається до цілочисельного заряду. Наприклад, якщо два вгору кварки та один низхідний кварк (із зарядами відповідно +2/3 та -1/3) згруповані, сума зарядів складає +1, і створюється нова частинка. Ця нова частинка - протон, один з основних компонентів атомного ядра.
Лептони можуть існувати вільно; Кварки неможливо
Хоча всі кварки мають дробовий заряд, кварк ніколи не буде вільно існувати в природі; це через фундаментальну силу, відому як "сильна сила". Сильна сила, яка опосередковується силоносні частинки, звані глюонами, діють в ядрі атомів і утримують кварків, залучених до одного інший. Сила між кварками збільшується в міру їхнього віддалення, гарантуючи, що вільний кварк ніколи не буде виявлений. Область досліджень, присвячена взаємодії між кварками та глюонами, називається квантовою хромодинамікою (КХД). Лептони, навпаки, є дуже "незалежними" частинками і можуть бути ізольованими.
Кварки та лептони підвладні різним основним силам
У природі існують чотири основні сили: сильна сила (яка утримує атомні ядра та кварки), слабка сила (яка відповідає за радіоактивного розпаду), електромагнітної сили (яка допомагає утримувати атоми разом) і сили тяжіння (яка діє на будь-який об'єкт з масою або Всесвіт). Кварки підвладні всім основним силам; з іншого боку, лептони піддаються всім силам, крім сильної сили. Це пояснюється тим, що сильна сила має дуже малий діапазон, як правило, менший, ніж у атомного ядра; отже, сильна сила, як правило, обмежена цією областю. Слабкі, електромагнітні та гравітаційні сили, навпаки, можуть діяти на значно більшу відстань, ніж сильна сила.