Elementaire deeltjes

Elektronen en quarks hebben geen waarneembare structuur; ze kunnen niet worden gereduceerd of gescheiden in kleinere componenten. Het is daarom redelijk om ze “elementaire” deeltjes te noemen, een naam die in het verleden ten onrechte werd gegeven aan deeltjes zoals het proton, dat in feite een complex deeltje is dat quarks bevat. De term subatomair deeltje verwijst zowel naar de echte elementaire deeltjes, zoals quarks en elektronen, als naar de grotere deeltjes die quarks vormen.

Hoewel beide elementaire deeltjes zijn, verschillen elektronen en quarks in verschillende opzichten. Terwijl quarks samen nucleonen vormen binnen de atoomkern, circuleren de elektronen in het algemeen naar de periferie van atomen. Elektronen worden inderdaad beschouwd als verschillend van quarks en worden ingedeeld in een afzonderlijke groep van elementaire deeltjes, leptonen genaamd. Er zijn verschillende soorten leptonen, net zoals er verschillende soorten quarks zijn (zie hieronder Quarks en antiquarks). Er zijn echter slechts twee soorten quarks nodig om protonen en neutronen te vormen, en deze vormen, samen met het elektron en één ander elementair deeltje, alle bouwstenen die nodig zijn om de alledaagse wereld te bouwen. Het laatste benodigde deeltje is een elektrisch neutraal deeltje dat neutrino wordt genoemd.

Neutrino’s bestaan niet binnen atomen in de zin van elektronen, maar ze spelen een cruciale rol bij bepaalde soorten radioactief verval. In een basisproces van één soort radioactiviteit, bekend als betaverval, verandert een neutron in een proton. Bij deze verandering krijgt het neutron één eenheid positieve lading. Om de totale lading in het bètavervalproces constant te houden en daarmee te voldoen aan de fundamentele natuurkundige wet van behoud van lading, moet het neutron een negatief geladen elektron uitzenden. Daarnaast zendt het neutron ook een neutrino uit (strikt genomen een antineutrino), dat weinig of geen massa en geen elektrische lading heeft. Bètaverval is belangrijk bij de overgangen die optreden wanneer onstabiele atoomkernen veranderen om stabieler te worden, en daarom zijn neutrino’s een noodzakelijke component bij het vaststellen van de aard van materie.

Het neutrino wordt, net als het elektron, geclassificeerd als een lepton. Op het eerste gezicht lijken er dus slechts vier soorten elementaire deeltjes te bestaan: twee quarks en twee leptonen. In de jaren dertig van de vorige eeuw, lang voordat het concept van quarks werd vastgesteld, werd het echter duidelijk dat materie gecompliceerder is.