Partikelfysik är delfältet i fysik som behandlar studier av elementära subatomära partiklar - partiklarna som bildar atomer. I början av 1900-talet gjordes många experimentella genombrott som föreslog att atomer, som tros vara den minsta komponenten av materia, bestod av ännu mindre partiklar. Nya teorier utformades för att förklara detta (såsom standardmodellen för partikelfysik), många nya experiment utformades (med hjälp av utrustning som partikelacceleratorer) och det blev gradvis klart att partiklarna som bildar atomer kan brytas ner ytterligare. Två exempel på sådana partiklar är kvarkar och leptoner, och medan dessa typer av partiklar har mycket gemensamt, är deras skillnader ofta skarpa.

Quarks och Leptons är båda grundläggande partiklarna

Quarks (benämnd av Nobelprisvinnaren Murray Gell-Mann efter ett citat i boken "Finnegan's Wake" av James Joyce) och leptoner anses för närvarande vara de mest grundläggande partiklarna som finns. det vill säga de kan inte brytas ner i ytterligare beståndsdelar. Quarks och leptoner är inte själva partiklar; De hänvisar snarare till partikelfamiljer, som varje innehåller sex medlemmar. Kvarken av partiklar består av upp, ner, topp, botten, charm och konstiga partiklar, medan leptoner består av elektronen, elektronnutrino, muon, muon neutrino, tau och tau neutrino partiklar. Det finns också antipartiklar associerade med varje partikel, varvid antipartikeln är spegeln motsatt av den motsvarande partikeln (t ex med motsatt laddning).

Leptoner har integerladdning; Quarks har fraktionell laddning

Leptoner har en elektrisk laddning av antingen en grundläggande laddningsenhet (definierad som laddning av en enda elektron), i fallet med elektronen, muon eller tau eller ingen laddning, i fallet av motsvarande neutrinor. Kvarker å andra sidan har varje fraktionskostnader (+/- 1/3 eller +/- 2/3, beroende på kvarken). När dessa kvarker grupperas samman lägger summan av sina avgifter alltid upp till en heltalskostnad. Om exempelvis två up quarks och one down quark (med avgifter av +2/3 respektive -1/3) grupperas tillsammans, summerar avgifterna upp till +1 och en ny partikel skapas. Denna nya partikel är protonen, en av huvudkomponenterna i atomkärnan.

Leptoner kan existera fritt; Quarks kan inte bli

​​Medan kvarker alla har en bråkdel, kommer kvark aldrig att existera 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 kärnorna av atomer och håller kvarkar lockade till varandra. Kraften mellan kvark ökar när de rör sig ifrån varandra, vilket säkerställer att en fri kvark aldrig upptäcks. Fältet som är inriktat på växelverkan mellan kvark och gluoner kallas kvantkromodynamik (QCD). Leptoner är å andra sidan mycket "oberoende" partiklar och kan isoleras.

Kvarker och leptoner är föremål för olika grundläggande styrkor

Det finns fyra grundläggande krafter i naturen: stark kraft (som håller atomkärnor och kvarker ihop), den svaga kraften (som är ansvarig för radioaktivt förfall), den elektromagnetiska kraften (som hjälper till att hålla atomer tillsammans) och gravitationskraften (som gör något föremål med massa eller energi i universum ). Quarks är föremål för alla grundläggande krafter; leptoner, å andra sidan, är föremål för alla krafter utom den starka kraften. Detta beror på att den starka kraften har ett mycket kort intervall, vanligtvis mindre än en atomkärna; Därför är den starka kraften allmänt begränsad till detta område. De svaga, elektromagnetiska och gravitationskrafterna å andra sidan kan verka över ett mycket större avstånd än den starka kraften.