Jusqu’au milieu du siècle dernier, la physique des particules était relativement simple. Les seules particules élémentaires connues étaient l’électron, le proton, le neutron et le neutrino. Mais l’amélioration des moyens de détection permis de mettre en évidence l’existence d’un nombre invraisemblable de particules différentes. Ceci suggérait l’existence de particules encore plus élémentaires dont les différentes combinaisons pouvaient expliquer ce grand nombre.
Les progrès théoriques dans les années 1960 amenèrent les physiciens à la conclusion que protons et neutrons étaient en fait des systèmes complexes possédant une structure interne et constitués de particules plus élémentaires qu’ils baptisèrent les quarks. Ces travaux montrèrent qu’il devait exister six types de quarks qui furent appelés up, down, strange, charm, top et bottom.
Dans des conditions ordinaires, les quarks n’existent pas à l’état isolé, on ne les trouve qu’associés en petits groupes appelés hadrons.
Trois quarks peuvent se regrouper pour former ce que l’on appelle un baryon, en particulier les deux baryons qui constituent les noyaux des atomes : le proton formé de deux quarks up et d’un quark down et le neutron constitué de deux quarks down et d’un quark up.
L’autre type de combinaison possible est le méson, formé d’un quark et d’un antiquark. De façon générale, les baryons et les mésons, sont collectivement désignés sous le nom de hadrons.
En plus des quarks, on trouve une deuxième catégorie de particules élémentaires : les leptons. Les deux exemples les plus connus sont l’électron et le neutrino. L’électron est une particule de charge négative qui aide les protons et les neutrons à former des atomes. Le neutrino est une particule qui interagit très peu avec la matière ordinaire.
Les progrès expérimentaux et théoriques ont permis de mettre en évidence quatre autres types de leptons : deux versions plus massives de l’électron appelées le muon et le tau, ainsi que deux autres types de neutrinos associés. Ces quatre leptons n’interviennent pas dans la matière ordinaire, ils n’apparaissent que dans des processus très énergétiques, par exemple dans les accélérateurs de particules.