Esistono due categorie principali di particelle subatomiche: fermioni e bosoni. I fermioni sono le particelle che pensiamo come “roba”: leptoni come l’elettrone, il neutrino e i cugini, e quark come il quark up e altri nella sua famiglia considerevole. I bosoni di Gauge sono le particelle che mediano le quattro forze fondamentali della natura: le forze nucleari deboli e forti, l’elettromagnetismo e la gravità. Questi includono il familiare fotone e i suoi cugini molto meno frequenti, i bosoni W e Z, i gluoni e (i fisici si aspettano) il gravitone, la tanto ricercata particella pensata per mediare le interazioni gravitazionali.
È importante capire la differenza tra particelle subatomiche e particelle fondamentali. Fondamentale significa che la particella non ha costituenti più piccoli; è fondamentale. Non tutte le particelle subatomiche sono fondamentali, sebbene tutte le particelle fondamentali conosciute siano subatomiche, cioè più piccole degli atomi. Ad esempio, protoni e neutroni, particelle subatomiche che compongono l’atomo, sono particelle composite piuttosto che fondamentali, essendo costituite da quark e gluoni ancora più piccoli. Le particelle esotiche come il neutrino tau o i muoni sono subatomiche perché sono più piccole degli atomi, ma è importante ricordare che queste non fanno parte degli atomi che costituiscono le strutture visibili nel nostro universo.
Le particelle subatomiche sono così numerose e varie che i fisici hanno usato il termine “zoo di particelle” per descriverle. Nel dominio dei leptoni ci sono 3 tipi di elettroni – elettrone, muone e tau – 3 tipi di neutrino e le loro antiparticelle, che formano 12 leptoni. Esistono quattro bosoni di gauge noti: il fotone, i bosoni W e Z e il gluone. Altri due bosoni, che quasi certamente esistono, ma non sono stati ancora osservati, includono il bosone di Higgs e il gravitone. Questo porta il totale delle particelle fondamentali a 18. Aggiungi i quark top, down, bottom, up, strange e charm ei loro antiquark, e ottieni 30 particelle subatomiche fondamentali.
Tuttavia, non è tutto. Forse ricorderete che un protone o un neutrone è composto da tre quark. Questi includono due dei quark up e down e uno dei quark rimanenti, attaccati insieme ai gluoni nel nucleo dell’atomo. Tuttavia, questa non è l’unica configurazione di quark possibile, ma solo la più stabile. Se potessi in qualche modo raccogliere particelle fondamentali a piacimento e metterle insieme in configurazioni arbitrarie, potresti creare migliaia di nuove particelle subatomiche.
Centinaia di queste particelle subatomiche sono state effettivamente osservate in esperimenti con acceleratori di particelle. Includono i mesoni, che hanno solo due quark, e gli adroni, che ne hanno tre come protoni e neutroni. Ci sono anche le cosiddette glueballs o gluonio, particelle subatomiche composte solo da gluoni, e il sospetto tetraquark, una specie di particella subatomica che sarebbe composta da quattro quark. Esistono pentaquark e oltre? Forse è così, ma trovarli richiederebbe un apparato sperimentale di gran lunga superiore al nostro attuale meglio.