Elemi részecskék

Az elektronok és a kvarkok nem tartalmaznak érzékelhető szerkezetet; nem lehet őket kisebb összetevőkre redukálni vagy szétválasztani. Ezért ésszerű “elemi” részecskéknek nevezni őket, egy olyan elnevezés, amelyet a múltban tévesen olyan részecskéknek adtak, mint például a proton, amely valójában egy összetett részecske, amely kvarkokat tartalmaz. A szubatomi részecske kifejezés egyaránt vonatkozik a valódi elemi részecskékre, például a kvarkokra és az elektronokra, és azokra a nagyobb részecskékre, amelyeket a kvarkok alkotnak.

Noha mindkettő elemi részecske, az elektronok és a kvarkok több szempontból is különböznek egymástól. Míg a kvarkok együttesen nukleonokat alkotnak az atommagban, addig az elektronok általában az atomok perifériája felé keringenek. Valójában az elektronokat a kvarkoktól különbözőnek tekintik, és az elemi részecskék külön csoportjába, a leptonok közé sorolják. A leptonoknak több típusa létezik, ahogyan a kvarkoknak is több típusa van (lásd alább: kvarkok és antikvarkok). A protonok és neutronok kialakításához azonban csak kétféle kvarkra van szükség, és ezek, valamint az elektron és egy másik elemi részecske alkotják a mindennapi világ felépítéséhez szükséges összes építőelemet. Az utolsó szükséges részecske egy elektromosan semleges részecske, a neutrínó.

A neutrínók nem léteznek az atomokban olyan értelemben, mint az elektronok, de döntő szerepet játszanak bizonyos típusú radioaktív bomlásokban. A radioaktivitás egyik típusának alapvető folyamatában, az úgynevezett béta-bomlásban egy neutron protonra változik. E változás során a neutron egy egységnyi pozitív töltést kap. Ahhoz, hogy a béta-bomlás folyamatában a teljes töltés állandó maradjon, és ezáltal megfeleljen a töltésmegmaradás alapvető fizikai törvényének, a neutronnak egy negatív töltésű elektront kell kibocsátania. Ezenkívül a neutron egy neutrínót (szigorúan véve antineutrínót) is kibocsát, amely kis tömeggel vagy egyáltalán nem rendelkezik, és nincs elektromos töltése. A béta-bomlások fontos szerepet játszanak az instabil atommagok stabilabbá válásakor bekövetkező átmenetekben, és ezért a neutrínók az anyag természetének megállapításához szükséges komponensek.

A neutrínó, akárcsak az elektron, a leptonok közé tartozik. Így első látásra úgy tűnik, hogy csak négyféle elemi részecske – két kvark és két lepton – létezhet. Az 1930-as években azonban – jóval a kvarkok fogalmának megalkotása előtt – világossá vált, hogy az anyag ennél bonyolultabb.