Deeltjesfysica is het deelgebied van de natuurkunde dat zich bezighoudt met de studie van elementaire subatomaire deeltjes - de deeltjes waaruit atomen bestaan. In het begin van de 20e eeuw werden er vele experimentele doorbraken gemaakt die suggereerden dat atomen, waarvan werd aangenomen dat ze de kleinste component van de materie zijn, uit nog kleinere deeltjes bestaan. Er werden nieuwe theorieën bedacht om dit uit te leggen (zoals het standaardmodel van deeltjesfysica), veel nieuwe experimenten werden ontworpen (met behulp van apparatuur zoals deeltjesversnellers) en het werd geleidelijk duidelijk dat de deeltjes waaruit de atomen bestaan ​​nog verder kunnen worden afgebroken. Twee voorbeelden van dergelijke deeltjes zijn quarks en leptonen, en hoewel deze soorten deeltjes veel gemeen hebben, zijn hun verschillen vaak grimmig.

Quarks en leptons zijn beide fundamentele deeltjes

Quarks (genoemd naar Nobelprijswinnaar Murray Gell-Mann na een uitspraak in het boek "Finnegan's Wake" door James Joyce) en leptonen worden momenteel beschouwd als de meest fundamentele deeltjes die er bestaan; dat wil zeggen, ze kunnen niet worden opgesplitst in andere samenstellende deeltjes. Quarks en leptonen zijn ook zelf geen deeltjes; veeleer, ze verwijzen naar families van deeltjes, elk bestaande uit zes leden. De quarkfamilie van deeltjes bestaat uit op, neer, boven, onder, charme en vreemde deeltjes, terwijl leptonen uit het elektron, elektronen neutrino, muon, muon neutrino, tau en tau neutrino deeltjes bestaan. Er zijn ook antideeltjes verbonden met elk deeltje, waarbij het antideeltje de spiegel is die tegenovergesteld is aan het overeenkomstige deeltje (bijvoorbeeld met de tegenovergestelde lading).

Leptonen hebben integer lading; Quarks hebben fractionele lading

Leptonen hebben een elektrische lading van één fundamentele ladingeenheid (gedefinieerd als de lading van een enkel elektron), in het geval van het elektron, muon of tau, of geen lading, in het geval van de overeenkomstige neutrino's. Quarks daarentegen hebben elk fractionele ladingen (+/- 1/3 of +/- 2/3, afhankelijk van de quark). Wanneer deze quarks gegroepeerd zijn, komt de som van hun kosten altijd overeen met een geheel getal. Als twee up-quarks en een down-quark (met ladingen van respectievelijk +2/3 en -1/3) zijn gegroepeerd, wordt de som van de kosten opgeteld bij +1 en wordt een nieuw deeltje gemaakt. Dit nieuwe deeltje is het proton, een van de belangrijkste componenten van de atoomkern.

Leptonen kunnen vrij bestaan; Quarks Can not

Hoewel quarks allemaal een fractionele lading hebben, zal een quark nooit vrijelijk in de natuur bestaan; dit komt door een fundamentele kracht die bekend staat als de 'sterke kracht'. De sterke kracht, die wordt gemedieerd door kracht-dragende deeltjes genaamd gluonen, werkt in de kern van atomen en houdt quarks aangetrokken tot elkaar. De kracht tussen quarks neemt toe als ze uit elkaar gaan, waardoor een vrije quark nooit wordt gedetecteerd. Het vakgebied dat is gericht op de interacties tussen quarks en gluonen wordt quantum-chromodynamica (QCD) genoemd. Leptonen daarentegen zijn erg "onafhankelijke" deeltjes en kunnen geïsoleerd worden.

Quarks en Leptons zijn onderworpen aan verschillende fundamentele krachten -

Er zijn vier fundamentele krachten in de natuur: de sterke kracht (die atoomkernen en quarks bij elkaar houdt), de zwakke kracht (die verantwoordelijk is voor radioactief verval), de elektromagnetische kracht (die helpt om atomen bij elkaar te houden) en de zwaartekracht (die elk voorwerp met massa of energie in het universum handelt) ). Quarks zijn onderworpen aan alle fundamentele krachten; Aan de andere kant zijn leptonen onderworpen aan alle krachten behalve de sterke kracht. Dit komt omdat de sterke kracht een zeer kort bereik heeft, meestal kleiner dan dat van een atoomkern; daarom is de sterke kracht over het algemeen beperkt tot dit gebied. De zwakke, elektromagnetische en gravitatiekrachten kunnen daarentegen over een veel grotere afstand werken dan de sterke kracht.