Cząstki elementarne

Elektrony i kwarki nie mają żadnej dostrzegalnej struktury; nie można ich zredukować ani rozdzielić na mniejsze elementy. Dlatego uzasadnione jest nazywanie ich cząstkami „elementarnymi”, nazwa ta w przeszłości była mylnie nadawana cząstkom takim jak proton, który w rzeczywistości jest cząstką złożoną, zawierającą kwarki. Termin cząstka subatomowa odnosi się zarówno do prawdziwych cząstek elementarnych, takich jak kwarki i elektrony, jak i do większych cząstek, które tworzą kwarki.

Mimo że obie są cząstkami elementarnymi, elektrony i kwarki różnią się pod kilkoma względami. Podczas gdy kwarki razem tworzą nukleony w jądrze atomowym, elektrony zazwyczaj krążą na obrzeżach atomów. W istocie, elektrony są uważane za coś odrębnego od kwarków i są klasyfikowane w oddzielnej grupie cząstek elementarnych zwanych leptonami. Istnieje kilka rodzajów leptonów, tak jak istnieje kilka rodzajów kwarków (patrz niżej Kwarki i antykwarki). Do utworzenia protonów i neutronów potrzebne są jednak tylko dwa rodzaje kwarków i to one, wraz z elektronem i jeszcze jedną cząstką elementarną, stanowią cały budulec niezbędny do budowy codziennego świata. Ostatnią potrzebną cząstką jest elektrycznie neutralna cząstka zwana neutrinem.

Neutrina nie istnieją wewnątrz atomów w takim sensie jak elektrony, ale odgrywają kluczową rolę w niektórych typach rozpadów promieniotwórczych. W podstawowym procesie jednego z typów radioaktywności, znanego jako rozpad beta, neutron zmienia się w proton. Dokonując tej przemiany, neutron uzyskuje jedną jednostkę ładunku dodatniego. Aby utrzymać całkowity ładunek w procesie rozpadu beta na stałym poziomie, a tym samym spełnić podstawowe fizyczne prawo zachowania ładunku, neutron musi wyemitować ujemnie naładowany elektron. Ponadto, neutron emituje również neutrino (ściśle mówiąc antyneutrino), które ma niewielką masę lub nie ma jej wcale i nie posiada ładunku elektrycznego. Rozpady beta są ważne w przejściach, które zachodzą, gdy niestabilne jądra atomowe zmieniają się w bardziej stabilne, i z tego powodu neutrina są niezbędnym elementem w ustalaniu natury materii.

Eutrino, podobnie jak elektron, jest klasyfikowane jako lepton. Tak więc na pierwszy rzut oka wydaje się, że powinny istnieć tylko cztery rodzaje cząstek elementarnych – dwa kwarki i dwa leptony. W latach trzydziestych XX wieku, na długo przed powstaniem koncepcji kwarków, stało się jednak jasne, że materia jest bardziej skomplikowana.