Uma boa resposta para uma pergunta do tipo "Quais as partículas elementares da matéria e da luz?" seria "Prótons, neutrons, elétrons e fótons". Entretanto, cientistas tem expandido essa resposta pelos últimos sessenta anos ou mais. A primeira partícula adicionada à lista foi o neutrino, que era necessário de ser postulado para explicar porque os elétrons, chamados de partículas beta nesse caso, são ejetados por núcleos durante o processo de decaimento beta.Depois da descoberta do neutrino, centenas de outras partículas foram descobertas. O grande aumento de partículas parece pertencer apenas à área dos hadrons, os leptons e o fóton parecem ser bem comportados.
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    Os hadrons são partículas que interagem atravéz da força forte que é a força que mantém os prótons e os nêutrons juntos no núcleo de um átomo. Por sua vez, os hádrons são divididos em dois sub-grupos, os bárions e os mésons. Os bárions incluem partículas como o próton e o nêutron. Os mésons incluem os mésons pi ou píons. Os leptons são partículas como o elétron e o neutrino, que não interagem atravéx da força forte. Até hoje, só são conhecidos seis léptons, e eles foram divididos em três gerações, ou sub-grupos, e estão listados a Tabela 1-1 para futuras referências.
 

Tabela 1-1

LEPTONS
 
 

Primeira Geração:

e^-  : o elétron é partícula carregada negativamente de eletrecidade  e é estável.
n_e : o neutrino, ou elétron-neutrino é neutro em carga, é estável e e pode não ter massa.
 

Segunda Geração:

m^- : o múon é similar ao elétron, só que 200 vezes maispesado, e é instável.
n_m : o múon-neutrino, similar ao elétron-neutrino.

Terceira Geração:

t^- : o tau é similar ao elétron, só que 3500 vezes mais pesado e é instável.
n_t : o tau-neutrino é similar ao elétron-neutrino.
 

    O fóton,  (gama), é a única partícula associada com a radiação eletromagnética que, num limitado espectro de energias é chamado de luz. Raios-X, microondas e ondas de rádio representam outros espectros de energias do fóton.

    Muitas vezes as partículas elementares são representadas meramente por suas notações, tais como "p" para o próton e "n" para o nêutron. Algumas vezes a carga elétrica "+" ou "-" ou "0" é também adicionada. Com o intuito de dar às partículas elementares alguma forma, elas são retratadas como círculos ou esferas. A luz é comumentemente mostrada como o símbolo ou por uma curva sinusoidal.
 
 

    Cada uma das partículas elementares tem um spin quantizado associado, que é um multiplo da constante de plank (h), dividida por 2 p, ou h/2p. A constante de Plank é um número pequeniníssimo. O spin quantizado é um múltiplo não inteiro (1/2, 3/2, 5/2,...) ou um múltiplo inteiro (0, 1, 2,...) de h/2p. Em muitos casos, como agora, o h/2p é deixado de lado, por ser subentendido. Os spins de várias partículas tem sido determinados. Os hadrons tem partículas de ambos os tipos de spin. Os bárions não possuem spins inteiros, e os mésons tem spins inteiros. Todos os leptons tem spin de 1/2. O fóton tem spin de 1. As partículas com spins não inteiros e as de spins inteiros seguem regras diferentes. As partículas com spins não inteiros seguem o Princípio de Exclusão de Pauli, que não permite que duas partículas tenham o mesmo estado quântico. As partículas com spins inteiros não seguem o Princípio da Exclusão de Pauli. Assim, dois elétrons (cada um com spin 1/2) em um mesmo átomo devem diferir um do outro, enquanto que muitos fótons podem ser exatamente iguais. Uma forma de partículas com spin 1/2, como os elétrons, tem de seguir o Princípio de Exclusão de Pauli é o de terem os seus spins alinhados em direções opostas, ou não paralelas.
 
 

    O spin não é sempre mostrado na representação das partículas elementares. Entretanto, quando é mostrado, é em geral representado como uma seta ou como um círculo ou como uma flecha curvada sobre uma esfera. A comparação entre as flechas de uma partícula para outra mostra se seus spins estão alinhados ou não.
 
 

    Partículas também possuem massa que podem ser expressas em termos de energia empregando-se a equação de conversão de massa em energia de Einstein, E=mc². A unidade de massa que será utilizada aqui é o GeV (Giga-elétron volts), que dá números convenientes para massas de partículas. Por exemplo, a massa do próton pode ser expressa como 0,938 GeV e a massa do elétron como 0,00051 GeV. Em adição, cada partícula tem sua antipartícula; por exemplo, o pósitron é a antipartícula do elétron. O par partícula~antipartícula irá se aniquilar respectivamente, e liberar energia de acordo com a equação da conversão da massa em energia.
 

    Retornando ao sentido dos múltiplos hadrons, tornou-se aparente nos anos 60 que os hadrons não deveriam ser, afinal de contas, partículas elementares. Em 1964  Murray Gell-Mann propôs o modelo dos quarks para os hadrons. Hoje considera-se que existam seis quarks, subdivididos em três grupos de dois quarks cada. Cada par está associado à respectiva geração de léptons descrita acima. Os quarks tem algumas propriedads não usuais, como cargas elétricas fracionárias, e o fato de que um quark nunca foi isolado.

    Os seis quarks são chamados sabores. Os sabores dos quarks são up (u), down (d), strange (s), charm (c), top (t) e bottom (b), ou "para cima", "para baixo", "estranho", "charmoso", "o de cima" e "o de baixo". Em adição, cada quark tem uma antipartícula de mesma massa mas de carga oposta. Sendo assim, como é que isso resolve o problema dos hadrons? O que  Murray Gell-Mann descobriu é que cada meson poderia ser representado por q*q, onde q* representa uma antipartícula quark não especificada e q representa uma partícula quark específica. Além disso, cada bárion poderia ser representado por qqq. Por exemplo, o méson pi+ é representado por d*u, o próton é representado por uud, e o nêutron por udd. Hoje em dia, a representação gráfica dos quarks em partículas como pi+, p ou n é geralmente círculos ou esferas juntamente com os símbolos dos quarks e possivelmente flechas para demonstrar os spins.
 

Tabela
QUARKS

    Os quarks estão agrupados em gerações, segundo os leptons. A primeira geração de quarks e leptons perfaz o mundo do nosso dia-a-dia de prótons, nêutrons, elétrons e neutrinos. Os quarks tem cargas freacionais de -1/3 e +2/3, se comparados com a carga de -1 para o elétron e de +1 para o próton. Cada quark tem o seu antiquark que tem carga oposta. As massas calculadas dos quarks podem ser comparadas às massas do próton e do nêutron que são ambas um pouco abaixo de 1 GeV.

    Cada quark tem um spin de 1/2 e os spins são aditivos para determinar o spin total do hadron. Os spins podem se cancelar se estiverem em direções opostas ou serem adicionados se estiverem na mesma direção. Entretanto, uma partícula não pode ter dois quarks de mesmo sabor e com a mesma direção de spin a não ser que alguma coisa seja diferente, por causa do Princípio de Exclusão de Pauli. Por um certo tempo tal fato preocupou os físicos porque o Princípio de Exclusão de Pauli estava sendo aparentemente quebrado pelas partículas Delta de estruturas uuu e ddd e de spin total 3/2. Todos os três quarks tem o mesmo alinhamento, de formas a que o spin total é 1/2+1/2+1/2=3/2. O que era necessário era outro atributo para distinguir os três quarks u entre si, e os três quarks d entre si. O conceito de cor (vermelho, verde e zaul) foi introduzido à teoria dos quarks. O atributo não é verdadeiramente relacionado à uma cor. O conceito de cor salvou o Princípio de Exclusão de Pauli e finalmente levou à teoria da força nuclear forte. Sim, as esferas podem agora mostrar cor em adição a flechas spin e letras-símbolo.

    Harald Fritzsch no seu livro "Quarks, The Stuff of Matter" providenciou dois resultados experimentais em suporte à idéia de que os quarks tem três "cores". O primeiro é o tempo de vida do méson pi 0 antes de seu decaimento. O tempo de vida calculado é um fator de nove maior do que o tempo de vida observado. A introdução de três cores de quarks d e três cores de quarks u providenciou um fator de correção de 3x3 ou 9 comparado ao modelo sem cores. Esse fator de 9 dá o fator de correção necessário para que os valores experimentais e calculado coincidam.
 

    O segundo caso fornecido por Harald Fritzsch envolve a razão das velocidades de produção de pares múon-antimúon em experimentos de aniquilação de elétrons-pósitrons a energias tais que somente partículas contendo quarks u, d e s poderiam ser produzidas. A razão das velocidades de produção é a razão da soma dos quadrados das cargas das partículas; portanto, essa razão é igual a:
 
 

    Os valores experimentais são "... cerca de 2,2 ou 2,1". O fator de 3 na equação foi para dar conta das três cores de cada quark. O valor calculado teria sido 2/3 sem o fator de 3 para dar conta das cores.
 

 Os quarks não foram isolados. De fato, pode ser impossível isolar um quark. Assim, poder-se-ia dizer que os físicos não sabem realmente se os quarks existem. Entretanto os físicos sabem, à partir de experimentos de alta energia que prótons e nêutrons possuem estruturas internas. Eles também tem aceito a teoria dos quarks, tanto que Murray Gell-Mann recebeu o Prêmio Nobel em 1969 por sua teoria.
 
 
 

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