Particelle elementari
Elettroni e quark non contengono una struttura distinguibile; non possono essere ridotti o separati in componenti più piccoli. È quindi ragionevole chiamarle particelle “elementari”, un nome che in passato è stato dato erroneamente a particelle come il protone, che in realtà è una particella complessa che contiene quark. Il termine particella subatomica si riferisce sia alle vere particelle elementari, come i quark e gli elettroni, sia alle particelle più grandi che i quark formano.
Anche se sono entrambe particelle elementari, gli elettroni e i quark differiscono per diversi aspetti. Mentre i quark formano insieme i nucleoni all’interno del nucleo atomico, gli elettroni generalmente circolano verso la periferia degli atomi. Infatti, gli elettroni sono considerati distinti dai quark e sono classificati in un gruppo separato di particelle elementari chiamate leptoni. Esistono diversi tipi di leptoni, così come esistono diversi tipi di quark (vedi sotto Quark e antiquark). Solo due tipi di quark sono necessari per formare protoni e neutroni, tuttavia, e questi, insieme all’elettrone e ad un’altra particella elementare, sono tutti i mattoni necessari per costruire il mondo quotidiano. L’ultima particella necessaria è una particella elettricamente neutra chiamata neutrino.
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I neutrini non esistono all’interno degli atomi nel senso in cui esistono gli elettroni, ma giocano un ruolo fondamentale in alcuni tipi di decadimento radioattivo. In un processo fondamentale di un tipo di radioattività, noto come decadimento beta, un neutrone si trasforma in un protone. Nel fare questo cambiamento, il neutrone acquisisce un’unità di carica positiva. Per mantenere costante la carica complessiva nel processo di decadimento beta e quindi conformarsi alla legge fisica fondamentale della conservazione della carica, il neutrone deve emettere un elettrone carico negativamente. Inoltre, il neutrone emette anche un neutrino (in senso stretto, un antineutrino), che ha poca o nessuna massa e nessuna carica elettrica. I decadimenti beta sono importanti nelle transizioni che avvengono quando i nuclei atomici instabili cambiano per diventare più stabili, e per questo i neutrini sono una componente necessaria per stabilire la natura della materia.
Il neutrino, come l’elettrone, è classificato come un leptone. Così, sembra a prima vista che debbano esistere solo quattro tipi di particelle elementari – due quark e due leptoni. Negli anni ’30, tuttavia, molto prima che fosse stabilito il concetto di quark, divenne chiaro che la materia è più complicata.