Subatomisia hiukkasia on kaksi päätyyppiä – fermionit ja bosonit. Fermionit ovat hiukkasia, joita ajattelemme “tavaroiksi” – leptoneja, kuten elektroni, neutriino ja serkut, ja kvarkkeja, kuten up -kvarkia ja muita sen huomattavassa perheessä. Mittaribosonit ovat hiukkasia, jotka välittävät luonnon neljä perusvoimaa – heikot ja vahvat ydinvoimat, sähkömagnetismi ja painovoima. Näitä ovat tuttu fotoni ja sen paljon harvemmin nähdyt serkut, W- ja Z-bosonit, gluonit ja (fyysikot odottavat) gravitoni, joka on halutuin hiukkanen, jonka uskotaan välittävän painovoiman vuorovaikutusta.
On tärkeää ymmärtää ero atomien ja perushiukkasten välillä. Perustava tarkoittaa, että hiukkasella ei ole pienempiä ainesosia; se on perustavaa laatua. Kaikki subatomiset hiukkaset eivät ole perustavanlaatuisia, vaikka kaikki tunnetut perushiukkaset ovat subatomisia eli pienempiä kuin atomit. Esimerkiksi protonit ja neutronit, atomia muodostavat subatomiset hiukkaset, ovat pikemminkin komposiittihiukkasia kuin perushiukkasia, jotka koostuvat yhä pienemmistä kvarkkeista ja gluoneista. Eksoottiset hiukkaset, kuten tau -neutriino tai muonit, ovat subatomisia, koska ne ovat pienempiä kuin atomit, mutta on arvokasta muistaa, että nämä eivät ole osa atomeja, jotka muodostavat maailmankaikkeutemme näkyviä rakenteita.
Subatomisia hiukkasia on niin paljon ja erilaisia, että fyysikot ovat käyttäneet termiä ”hiukkaseläintarha” kuvaamaan niitä. Leptonien alueella on 3 tyyppistä elektronia – elektroni, muoni ja tau – 3 tyyppiä neutrinoa ja niiden antihiukkasia, mikä tekee 12 leptonia. Bosoneja tunnetaan neljä – fotoni, W- ja Z -bosonit sekä gluoni. Kaksi muuta bosonia, jotka ovat lähes varmasti olemassa, mutta joita ei ole vielä havaittu, sisältävät Higgsin bosonin ja gravitonin. Tämä tuo perushiukkasten kokonaismäärän 18: een. Lisää ylhäältä, alas, alhaalta, ylös, oudot ja viehättävät kvarkit ja niiden antiquarkit, niin saat 30 perusatomia.
Se ei kuitenkaan ole kaikki. Voit muistaa, että protoni tai neutroni koostuu kolmesta kvarkista. Näitä ovat kaksi joko ylös- ja alas -kvarkkeja ja yksi jäljellä olevista kvarkkeista, jotka ovat tarttuneet yhteen gluonien kanssa atomin ytimessä. Tämä ei kuitenkaan ole ainoa mahdollinen kvark -kokoonpano – vain vakain. Jos voisit jotenkin poimia perushiukkasia halutessasi ja liittää ne yhteen mielivaltaisissa kokoonpanoissa, voit luoda tuhansia uusia subatomisia hiukkasia.
Satoja näitä subatomisia hiukkasia on todella havaittu hiukkaskiihdyttimissä. Niihin kuuluvat mesonit, joissa on vain kaksi kvarkkia, ja hadronit, joissa on kolme kuten protonit ja neutronit. On myös niin sanottuja liimapalloja tai gluoniumia, subatomisia hiukkasia, jotka koostuvat vain gluoneista, ja epäilty tetrakvarkki, subatominen hiukkaslaji, joka koostuisi neljästä kvarkista. Onko pentaquarkkeja ja sen jälkeen olemassa? Ehkä niin, mutta niiden löytäminen vaatisi kokeellisia laitteita, jotka ylittävät nykyisen parhaamme.