I barioni e i mesoni sono particelle subatomiche complesse costruite da oggetti più elementari, i quark. Sei tipi di quark, insieme ai loro corrispondenti antiquark, sono necessari per rappresentare tutti gli adroni conosciuti. Le sei varietà, o “sapori”, di quark hanno acquisito i nomi di up, down, charm, strange, top e bottom. Il significato di questi nomi un po’ insoliti non è importante; sono sorti per una serie di ragioni. Ciò che è importante è il modo in cui i quark contribuiscono alla materia a diversi livelli e le proprietà di cui sono portatori.
I quark sono insoliti in quanto portano cariche elettriche di grandezza inferiore a e, la grandezza della carica dell’elettrone (1,6 × 10-19 coulomb). Questo è necessario se i quark devono combinarsi insieme per dare le cariche elettriche corrette per le particelle osservate, di solito 0, +e, o -e. Solo due tipi di quark sono necessari per costruire protoni e neutroni, i costituenti dei nuclei atomici. Questi sono il quark up, con una carica di +2/3e, e il quark down, che ha una carica di -1/3e. Il protone è composto da due quark up e un quark down, il che gli conferisce una carica totale di +e. Il neutrone, invece, è costruito da un quark up e due quark down, in modo da avere una carica netta pari a zero. Anche le altre proprietà dei quark up e down si sommano per dare i valori misurati per il protone e il neutrone. Per esempio, i quark hanno rotazioni di 1/2. Per formare un protone o un neutrone, che hanno anch’essi spin 1/2, i quark devono allinearsi in modo tale che due dei tre spin si annullino a vicenda, lasciando un valore netto di 1/2.
I quark su e giù possono anche combinarsi per formare particelle diverse da protoni e neutroni. Per esempio, le rotazioni dei tre quark possono essere disposte in modo da non annullarsi. In questo caso formano stati di risonanza di breve durata, ai quali è stato dato il nome di delta, o Δ. I delta hanno rotazioni di 3/2, e i quark su e giù si combinano in quattro possibili configurazioni -uuu, uud, udd, e ddd – dove u e d stanno per up e down. Le cariche di questi stati Δ sono +2e, +e, 0, e -e, rispettivamente.
I quark up e down possono anche combinarsi con i loro antiquark per formare mesoni. Il mesone pi, o pione, che è il mesone più leggero e un importante componente dei raggi cosmici, esiste in tre forme: con carica e (o 1), con carica 0, e con carica -e (o -1). Nello stato positivo un quark up si combina con un antiquark down; un quark down insieme a un antiquark up compongono il pione negativo; e il pione neutro è una miscela quantomeccanica di due stati -uu e dd, dove la barra in cima alla lettera indica l’antiquark.
Up e down sono le varietà più leggere di quark. Un po’ più pesanti sono una seconda coppia di quark, charm (c) e strange (s), con cariche rispettivamente di +2/3e e -1/3e. Una terza coppia di quark, ancora più pesante, è composta da top (o truth, t) e bottom (o beauty, b), sempre con cariche di +2/3e e -1/3e, rispettivamente. Questi quark più pesanti e i loro antiquark si combinano con i quark up e down e tra loro per produrre una serie di adroni, ognuno dei quali è più pesante del protone e del pione di base, che rappresentano le varietà più leggere di barione e mesone, rispettivamente. Per esempio, la particella chiamata lambda (Λ) è un barione costruito da quark u, d e s; quindi, è come il neutrone ma con un quark d sostituito da un quark s.