I protoni e i neutroni non sono le particelle elementari che hanno formato l'universo. Questa scoperta è stata confermata sul finire degli anni sessanta da studi condotti presso lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), dove elettroni di alta energia venivano sparati contro protoni e neutroni.
Gli elettroni diffusi dimostrarono che alcuni di essi urtavano contro oggetti puntiformi elettricamente carichi, contenuti all'interno dei protoni e dei neutroni.

Partiamo da quanto era stato ipotizzato da Pauli nel 1930 per spiegare l’energia mancante nei decadimenti beta, ossia l'esistenza del neutrino, che ci ha permesso di spiegare alcuni decadimenti.
A seguito della formalizzazione di Fermi delle “interazioni deboli”, molte reazioni di decadimento trovano una spiegazione economica.
Il neutrino, particella priva di massa, non possiede carica elettrica e interagisce solo debolmente con la materia: è a tutti gli effetti invisibile La sua produzione si comprende nei decadimenti in cui compaiono elettroni o muoni:
p-> μ+ ν,
μ-> e + ν + ν^-,
K->π + e + ν

Elettroni, muoni e neutrini, non prodotti nelle interazioni primarie prodotte dagli acceleratori, appartengono a una classe diversa dagli adroni, particelle prodotte con grande intensità e soggette a rapidissima disintegrazione: i primi sono detti leptoni, i secondi adroni. Si tratta di una classificazione molto utile, che permette di prevedere l’occorrenza di alcune reazioni, poi osservate, e la mancanza di altre, proibite dalla conservazione di un nuovo numero quantico: il “numero leptonico”.

Con l’aumentare dell’energia disponibile nelle collisioni prodotte dagli acceleratore, si scopre una messe di nuove particelle, tutte instabili, decadono in brevissimo tempo.
Sembrano organizzabili in famiglie, secondo il modo in cui vengono più frequentemente prodotte, il modo in cui decadono, eccetera. Multipletti… Una parola che dovrebbe far suonare un campanello.
I primi membri:

1. pioni π ^- π ⁺ π ⁰ hanno massa intorno a 140 MeV/c² e B=0;
2. kaoni K⁺,K^-,K⁰, di massa intorno ai 500 MeV/c², e pure B=0;
3. barioni Λ ^-, Λ⁰ Λ⁺, Λ⁺⁺ hanno massa di poco superiore al GeV/c² e B=1.

Osserviamo che i barioni decadono generando o protoni o neutroni.

Le particelle subnucleari soggette alla forza forte costituiscono la seconda grande classe di particelle studiate in laboratorio. Si tratta degli adroni, tra i quali vanno annoverati i protoni, i neutroni e i mesoni.
Una moltitudine di altri adroni meno conosciuti esiste soltanto in modo effimero come prodotto di collisioni ad alta energia, dalle quali si possono materializzare particelle estremamente massicce e molto instabili. Sono state catalogate centinaia di specie di adroni variabili per massa, spin, carica e altre proprietà.
Gli adroni però non sono particelle elementari, in quanto posseggono una struttura interna .
Nel 1964 Murray Gell-Mann, del California Institute of Technology (Caltech) e George Zweig, allora al CERN di Ginevra, tentarono indipendentemente di spiegare la sorprendente varietà di adroni ipotizzando che essi fossero particelle composte, formate ciascuna da una diversa combinazione di un piccolo numero di costituenti fondamentali, costituiti, come ipotizzato da Gell-Mann, da quark come riportato nella figura.

La fisica delle particelle attribuisce oggi tutte le specie di adroni conosciute a combinazioni di queste entità fondamentali. Sono stati identificati sei tipi di quark, anch'essi chiamati sapori - i quark su (u=up), giù (d=down), incanto (c=charm), strano (s=strange), beauty (b=beauty) e alto (t=top).

• Come i leptoni, i quark hanno spin 1/2 e possono essere, pertanto, sia sinistrorsi sia destrorsi. Essi portano anche una carica elettrica pari a una frazione esatta della carica dell'elettrone: i quark down, strange e bottom hanno una carica -1/3, mentre i quark u, c e t hanno una carica +2/3.
• Gli antiquark corrispondenti hanno cariche elettriche con lo stesso valore, ma di segno opposto.
• Negli adroni tali cariche frazionarie non sono mai state osservate, perché i quark formano combinazioni in cui la somma delle cariche è un intero. Per esempio, i mesoni sono formati da un quark e da un antiquark, le cui cariche possono dare per somma -1, 0 o +1. I protoni e i neutroni sono formati rispettivamente da due quark u e da un quark d, con carica totale +1 e da un quark u e due quark d con carica totale 0
• Come i leptoni, i quark sono soggetti a interazioni deboli che cambiano una specie, o sapore, in un'altra. Per esempio, nel decadimento beta di un protone in un neutrone uno dei quark d del neutrone si trasforma in un quark u, emettendo nel corso del processo un elettrone e un antineutrino.

Lo schema dei quark è molto simile a quello dei leptoni. Ci sono sei sapori di quark: up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (b), e top (t), in ordine di massa crescente. Ponendo uguale a -1 la carica di un elettrone, i quark up, charm e top hanno una carica di 2/3, mentre i quark down, strange e bottom hanno una carica di -1/3. Anche i quark si presentano in tre famiglie organizzate per massa crescente. Posta uguale a 1 la massa del protone, il quark up ha massa pari a circa 1/235, il quark down 1/135, il quark strange 1/6, il quark charm 1,6, il quark bottom 5,2 e il quark top 170. Si deve peraltro aggiungere che le masse dei quark sono state misurate finora solo con una precisione attorno al 20 per cento.

Anche qui troviamo le corrispondenti antiparticelle.

Riassumendo, i mattoni fondamentali di tutta la materia visibile nell'universo sono le particelle della prima famiglia o generazione (quark up e down, e gli elettroni). Questo perché tutte le particelle della seconda e terza generazione sono instabili e si trasformano velocemente nelle particelle stabili della prima generazione.