Un quark è una minuscola particella teorica che costituisce protoni e neutroni nel nucleo atomico. Insieme ai gluoni, i quark costituiscono anche adroni più esotici come i mesoni, che non sono stabili. Si chiama teorico perché, pur supponendo che la sua esistenza renda migliore la teoria fisica, non è mai stato osservato direttamente.
Insieme ai leptoni – elettroni, muoni, tau e i loro neutrini e antiparticelle associati – i quark costituiscono tutta la materia visibile nell’universo. Sono le uniche particelle fondamentali che interagiscono tra loro attraverso tutte e quattro le forze fondamentali: forza nucleare forte, forza nucleare debole, forza elettromagnetica e gravità. Una proprietà fondamentale di queste particelle è il confinamento: tutti i quark costituiscono adroni e non sono mai necessariamente indipendenti. Le descrizioni delle loro proprietà fisiche sono emerse dalla cromodinamica quantistica (QCD), la teoria della forza nucleare forte che tiene insieme il nucleo atomico.
Come tutte le altre particelle subatomiche, i quark possono essere descritti esaurientemente da tre numeri quantici: spin J, parità P e massa m. Poiché non sono mai isolati, queste proprietà devono essere dedotte osservando le particelle più grandi che compongono. Ci sono sei tipi conosciuti: su, giù, fascino, strano, alto e basso. Questi nomi sono puramente arbitrari e non suggeriscono nulla sulle proprietà di ciascun quark.
La materia normale che costituisce la maggior parte dell’universo è composta da quark up e down, che sono le particelle più leggere. Un protone è composto da due quark up e uno down, mentre un neutrone è composto da due quark down e uno up.
I quark hanno masse variabili, misurate in GeV (giga elettronvolt) sulla velocità della luce al quadrato. Le particelle subatomiche sono misurate in termini di energia che producono piuttosto che di massa in grammi. Il quark down è circa il doppio di quello up. Lo strano è circa 20 volte più massiccio del quark down. Il quark charm è circa 10 volte più massiccio di quello, seguito dal quark bottom, che è circa tre volte più massiccio dell’ultimo, e infine dal quark top, che è il più massiccio di tutti. L’aumento di massa tende a corrispondere alla scarsità della particella e necessita di condizioni fisiche più esotiche per la sua manifestazione.
I fisici sono alla ricerca della materia di quark teorizzata, un ipotetico reticolo fatto di quark continui collegati da gluoni. Non è ancora noto se questo tipo di materia sia fisicamente possibile. Se così fosse, si troverebbe probabilmente nel nucleo di stelle estremamente compatte che non sono ancora collassate in un buco nero.