La fisica delle particelle è il sottocampo della fisica che si occupa dello studio delle particelle subatomiche elementari - le particelle che costituiscono gli atomi. All'inizio del XX secolo, furono fatti molti progressi sperimentali che suggerivano che gli atomi, che si riteneva fossero il componente più piccolo della materia, erano costituiti da particelle ancora più piccole. Nuove teorie sono state ideate per spiegare questo (come il modello standard di fisica delle particelle), sono stati progettati molti nuovi esperimenti (usando apparecchiature come gli acceleratori di particelle) e gradualmente è diventato chiaro che le particelle che costituiscono gli atomi possono essere ulteriormente suddivise. Due esempi di tali particelle sono quark e leptoni, e mentre questi tipi di particelle hanno molto in comune, le loro differenze sono spesso nette.

Quark e Lepton sono entrambe le particelle fondamentali

Quarks (nominato da Il premio Nobel Murray Gell-Mann dopo una citazione nel libro "Finnegan's Wake" di James Joyce) e attualmente i leptoni sono le particelle più fondamentali che esistano; cioè, non possono essere scomposti in ulteriori particelle costituenti. Anche i quark e i leptoni non sono essi stessi particelle; piuttosto, si riferiscono a famiglie di particelle, ciascuna contenente sei membri. La famiglia di particelle di quark consiste di particelle su, giù, in alto, in basso, di fascino e strane, mentre i leptoni sono composti da elettroni, neutrini di elettroni, muoni, neutrini dei muoni, particelle di neutrini tau e tau. Vi sono anche antiparticelle associate a ciascuna particella, l'antiparticella essendo lo specchio opposto della corrispondente particella (per esempio avendo la carica opposta).

I leptoni hanno carica intera; I quark hanno carica frazionale

I leptoni hanno una carica elettrica di una delle due unità di carica fondamentale (definita come la carica di un singolo elettrone), nel caso dell'elettrone, del muone o del tau, o senza carica, nel caso dei corrispondenti neutrini. I quark, d'altro canto, hanno ciascuno cariche frazionali (+/- 1/3 o +/- 2/3, a seconda del quark). Quando questi quark sono raggruppati, la somma dei loro addebiti equivale sempre a una tariffa intera. Ad esempio, se due quark up e un quark down (con cariche rispettivamente di +2/3 e -1/3) sono raggruppati, la somma delle cariche si aggiunge a +1 e viene creata una nuova particella. Questa nuova particella è il protone, uno dei componenti principali del nucleo atomico.

I leoni possono esistere liberamente; I quark non possono

Mentre i quark hanno tutti una carica frazionaria, un quark non potrà mai esistere liberamente in natura; questo è a causa di una forza fondamentale nota come "forza forte". La forza forte, che è mediata da particelle che trasportano la forza chiamate gluoni, agisce all'interno del nucleo degli atomi e mantiene i quark attratti l'un l'altro. La forza tra i quark aumenta man mano che si allontanano, assicurando che non venga mai rilevato un quark libero. Il campo di studio dedicato alle interazioni tra quark e gluoni si chiama quantum chromodynamics (QCD). I leoni, d'altro canto, sono particelle molto "indipendenti" e possono essere isolati.

Quark e Lepton sono soggetti a diverse forze fondamentali

Ci sono quattro forze fondamentali in natura: il forza forte (che tiene insieme i nuclei atomici e i quark), la forza debole (che è responsabile del decadimento radioattivo), la forza elettromagnetica (che aiuta a tenere insieme gli atomi) e la forza gravitazionale (che agisce su qualsiasi oggetto con massa o energia nell'universo) ). I quark sono soggetti a tutte le forze fondamentali; i leptoni, d'altra parte, sono soggetti a tutte le forze tranne la forza forte. Questo perché la forza forte ha un raggio molto corto, tipicamente più piccolo di quello di un nucleo atomico; pertanto, la forza forte è generalmente limitata a quest'area. Le forze deboli, elettromagnetiche e gravitazionali, d'altra parte, possono agire su una distanza molto maggiore di quella della forza forte.