Es gibt zwei Hauptkategorien von subatomaren Teilchen – Fermionen und Bosonen. Fermionen sind die Teilchen, die wir als „Zeug“ bezeichnen – Leptonen wie das Elektron, Neutrino und Cousins, und Quarks wie das Up-Quark und andere in seiner großen Familie. Eichbosonen sind die Teilchen, die die vier Grundkräfte der Natur vermitteln – die schwachen und starken Kernkräfte, den Elektromagnetismus und die Schwerkraft. Dazu gehören das bekannte Photon und seine weitaus seltener gesehenen Cousins, die W- und Z-Bosonen, Gluonen und (Physiker erwarten) das Graviton, das begehrte Teilchen, von dem angenommen wird, dass es Gravitationswechselwirkungen vermittelt.
Es ist wichtig, den Unterschied zwischen subatomaren Teilchen und fundamentalen Teilchen zu verstehen. Fundamental bedeutet, dass das Teilchen keine kleineren Bestandteile hat; es ist grundlegend. Nicht alle subatomaren Teilchen sind fundamental, obwohl alle bekannten fundamentalen Teilchen subatomar sind, also kleiner als Atome sind. Zum Beispiel sind Protonen und Neutronen, subatomare Teilchen, aus denen das Atom besteht, eher zusammengesetzte Teilchen als fundamentale Teilchen, die aus noch kleineren Quarks und Gluonen bestehen. Exotische Teilchen wie das Tau-Neutrino oder die Myonen sind subatomar, weil sie kleiner als Atome sind, aber es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass diese nicht Teil der Atome sind, die sichtbare Strukturen in unserem Universum bilden.
Subatomare Teilchen sind so zahlreich und vielfältig, dass Physiker sie mit dem Begriff „Teilchenzoo“ beschreiben. Im Bereich der Leptonen gibt es 3 Arten von Elektron – Elektron, Myon und Tau – 3 Arten von Neutrinos und ihre Antiteilchen, die 12 Leptonen ergeben. Es gibt vier bekannte Eichbosonen – das Photon, die W- und Z-Bosonen und das Gluon. Zwei weitere Bosonen, die mit ziemlicher Sicherheit existieren, aber noch nicht beobachtet wurden, sind das Higgs-Boson und das Graviton. Dies bringt die Summe der fundamentalen Teilchen auf 18. Addiere die Top-, Down-, Bottom-, Up-, Strange- und Charm-Quarks und ihre Antiquarks, und du hast 30 fundamentale, subatomare Teilchen.
Das ist jedoch nicht alles. Sie erinnern sich vielleicht, dass ein Proton oder Neutron aus drei Quarks besteht. Dazu gehören zwei entweder up- und down-Quarks und eines der verbleibenden Quarks, die mit Gluonen im Atomkern verklebt sind. Dies ist jedoch nicht die einzig mögliche Quarkkonfiguration – nur die stabilste. Wenn Sie irgendwie nach Belieben fundamentale Teilchen aufnehmen und sie in beliebigen Konfigurationen zusammenkleben könnten, könnten Sie Tausende von neuen subatomaren Teilchen erschaffen.
Hunderte dieser subatomaren Teilchen wurden tatsächlich in Teilchenbeschleunigerexperimenten beobachtet. Dazu gehören Mesonen, die nur zwei Quarks haben, und Hadronen, die drei wie Protonen und Neutronen haben. Es gibt auch die sogenannten Gluoniums oder Gluonium, subatomare Teilchen, die aus nichts als Gluonen bestehen, und das vermutete Tetraquark, eine Spezies von subatomaren Teilchen, die aus vier Quarks bestehen würde. Gibt es Pentaquarks und darüber hinaus? Vielleicht ja, aber um sie zu finden, wären experimentelle Geräte erforderlich, die unsere derzeitigen Besten weit übersteigen.