Kwarki są elementarnymi składnikami materii — według współczesnej fizyki nie mają wewnętrznej struktury. Tworzą hadrony, które dzielą się na:

bariony (np. protony i neutrony – zbudowane z trzech kwarków),

mezony (zbudowane z pary: kwark + antykwark).

          W eksperymentach wykryto szereg ich niezwykłych właściwości, trudnych do wyobrażenia dla przeciętnego człowieka. Między kwarkami działają silne oddziaływania, opisywane przez teorię chromodynamiki kwantowej (QCD, Quantum Chromodynamics). W QCD kwarki oddziałują ze sobą poprzez wymianę gluonów — bozonów pośredniczących, podobnie jak foton przenosi oddziaływanie elektromagnetyczne. W przeciwieństwie jednak do fotonu, który jest elektrycznie neutralny, gluony niosą tzw. ładunek kolorowy i mogą oddziaływać także między sobą.

Gluony to cząstki elementarne:

 bezmasowe,

 pozbawione ładunku elektrycznego,

 posiadające ładunek kolorowy (istnieje 8 niezależnych gluonów),

 o spinie równym 1.

Są nośnikami oddziaływania silnego i „sklejają” kwarki wewnątrz hadronów. Podobnie jak:

foton przenosi oddziaływanie elektromagnetyczne,

bozony W i Z przenoszą oddziaływanie słabe,

tak gluony przenoszą oddziaływanie silne.

Gluony mogą zmieniać kolor kwarków — przenoszą kombinacje typu „czerwony–anty–zielony”. Dzięki temu oddziaływanie silne jest bardzo złożone.

Kolory kwarków i bezbarwność

W QCD zamiast ładunku elektrycznego występuje ładunek kolorowy. Kwarki mogą mieć trzy „kolory”:

czerwony,

zielony,

niebieski.

Nie są to kolory w sensie optycznym — to tylko oznaczenia matematyczne.

Zasada bezbarwności mówi, że wszystkie obserwowalne cząstki muszą być kolorowo neutralne:

proton = czerwony + zielony + niebieski → bezbarwny,

mezon = kolor + antykolor → bezbarwny.

W teorii istnieje 9 kombinacji kolor–antykolor, lecz jedna z nich jest neutralna, więc pozostaje 8 gluonów. Wynika to z matematycznej struktury grupy SU(3).

Zachowanie kwarków i gluonów

Kwarków i gluonów nie da się wydzielić osobno — zawsze są uwięzione w bezbarwnych cząstkach (hadronach). Wewnątrz protonu trzy kwarki (dwa górne i jeden dolny) stale wymieniają gluony, które mogą również tworzyć pary kwark–antykwark (tzw. morze kwarkowe).

To właśnie energia wewnętrznych oddziaływań stanowi większość masy protonu — masa samych kwarków jest znacznie mniejsza.

Dwa poziomy siły silnej

1. Oddziaływanie między kwarkami

    właściwa siła silna,

    przenoszona przez gluony,

    bardzo silna, o bardzo krótkim zasięgu (~10⁻¹⁵ m).

2. Oddziaływanie między hadronami (jądrowe)

    pozostałość siły silnej,

    wynika z wymiany mezonów (głównie pionów),

    znacznie słabsze od oddziaływania między kwarkami,

    ale silniejsze niż oddziaływanie elektromagnetyczne na tych skalach.

Istnieje również asymptotyczna swoboda: im bliżej siebie są kwarki, tym słabiej oddziałują; im dalej — tym silniej (odwrotnie niż w elektromagnetyzmie).

Masa a energia wiązania

Mogłoby się wydawać, że masa cząstki jest sumą mas jej kwarków, lecz to nieprawda. Brakująca masa pochodzi z energii wiązania kwarków i gluonów — jest to tzw. defekt masy, zgodny z równaniem Einsteina E = mc².

Bozony

Bozony to cząstki elementarne o spinie całkowitym (0, 1, 2 …), w przeciwieństwie do fermionów, które mają spin połówkowy.

Cechy bozonów:

1. Podlegają statystyce Bosego–Einsteina — mogą zajmować ten sam stan kwantowy (np. kondensat Bosego–Einsteina).

2. Wiele bozonów jest nośnikami oddziaływań:

    foton – elektromagnetyzm,

    gluony – oddziaływanie silne,

    bozony W i Z – oddziaływanie słabe,

    hipotetyczny grawiton – grawitacja.

    oraz bozon Higgsa, odpowiedzialny za nadawanie masy cząstkom.