Ao investigar o microscópico fundamento do Universo, nos deparamos com a fantástica teoria de quase tudo. Cientistas gostam de manter as coisas simples e descrever a natureza do universo em conceitos fundamentais. Os povos antigos acreditavam que tudo no universo era composto por cinco elementos combinados: fogo, terra, água, ar e éter. Hoje, todos sabemos que isso está incorreto.

Os elementos são formados por moléculas, e moléculas são formadas por diversas combinações de diversos átomos diferentes. Na década de 1860, o químico russo Dmitri Mendeleev categorizou e organizou todos os átomos conhecidos no que chamamos de Tabela Periódica dos Elementos.

Na década de 1930 os cientistas já sabiam que na realidade todos os 118 elementos eram compostos por três partículas: prótons, nêutrons e elétrons. Essas eram as novas partículas fundamentais na época. Os prótons e nêutrons formam os núcleos atômicos e os elétrons orbitam o núcleo em camadas. Nessa época, ao tentar entender a natureza dessas partículas, físicos como Bohr, Planck, Schrödinger e Heisenberg davam início a um novo ramo da física: a mecânica quântica.

Explicar o universo com três partículas é muito melhor do que descrevê-lo com 118 elementos. Mas as dúvidas não paravam de aparecer: se prótons são todos positivos, e cargas positivas se repelem, como que os prótons permanecem unidos no núcleo do átomo? Se o elétron orbita o núcleo atômico, o quê evita um elétron ser atraído para dentro dele?

1. Bem Mais do que Três Partículas

No começo do século XX, Einstein descreveu a luz como partícula no estudo sobre o efeito fotoelétrico que lhe rendeu o prêmio Nobel e, posteriormente, deu-se a ela o nome de fóton: uma partícula transmissora da força eletromagnética. Pouco tempo depois, Carl Anderson descobriu elétrons com carga positiva, os pósitrons, tornando real a previsão de Paul Dirac sobre a antimatéria. Até a década de 1960 havíamos dezenas de partículas descobertas sem nenhuma organização ou princípio prático que os guiassem.

Eis que surge o Modelo Padrão das partículas fundamentais. Ele não foi criado de uma só vez como Mendeleev fez com os elementos químicos da tabela periódica. Ao invés disso, o Modelo Padrão envolveu a contribuição de vários cientistas no começo da década de 70 em organizar mais de meio século de descobertas nas áreas da mecânica quântica e relatividade em uma teoria simplificada.

2. O Modelo Padrão

Para compreender o Modelo Padrão devemos levar em conta como as partículas agem sob efeito das quatro forças fundamentais da natureza:

• A força gravitacional age sobre todas as partículas e tem alcance infinito, mas seu efeito é tão pequeno que não é preciso levá-lo em conta no estudo das partículas subatômicas (ao menos não até encontrarmos uma solução para a gravitação quântica);
• A força eletromagnética também tem alcance infinito e é a que atua sobre todas as partículas que possuem carga elétrica;
• A força nuclear fraca é limitada à escala atômica e está envolvida no decaimento radioativo e processos semelhantes, integrando-se com o eletromagnetismo na chamada força eletrofraca;
• A força nuclear forte tem curto alcance, porém é a mais intensa de todas as forças. Essa força mantém unidos os prótons e nêutrons para formar os núcleos dos átomos.

O Modelo Padrão descreve as interações de forças e partículas fundamentais que constituem toda a matéria. Existem dois tipos básicos de partículas: os férmions e os bósons. De forma simplificada, os férmions são partículas que constituem a matéria e os bósons são partículas transmissoras de força.

3. Férmions

Os férmions podem ser quarks ou léptons. Os quarks se unem formando os prótons e nêutrons dos núcleos atômicos e interagem através da força nuclear forte. Os léptons (como elétrons e neutrinos) são partículas que interagem somente com as forças eletromagnética e nuclear fraca.

Todos os férmions possuem uma antipartícula correspondente: os léptons possuem os anti-léptons e os quarks (q) possuem os anti-quarks (q̄).

Assim como na Tabela Periódica os elementos químicos são distribuídos em colunas chamadas de "famílias", no Modelo Padrão acontece a mesma divisão. As partículas fundamentais são divididas em colunas chamadas de "gerações", indicadas pelos números romanos I, II e III. A única diferença entre as gerações é a sua massa: as partículas de geração I são as mais leves, enquanto as de geração III são as mais pesadas.

Todas as partículas que compõem nosso universo são de geração I. As partículas de geração II e III decaem rapidamente e só são obtidas em laboratório por aceleradores de partículas, ou existem em ambientes altamente energéticos como os raios cósmicos.

4. Quarks

Os quarks são partículas elementares que se combinam para formar partículas compostas chamadas de hádrons. Os quarks possuem como característica única as cargas de cor: vermelho, verde ou azul. As cores em nada têm a ver com a luz que enxergamos com nossos olhos — são apenas nomes dados para identificar suas cargas. Assim como cargas elétricas são positivas ou negativas, os quarks têm cargas de cor.

Quarks nunca aparecem isoladamente; eles sempre surgem unidos com outros quarks em combinações de cores que resultem em uma cor neutra, o branco. A esse estudo dá-se o nome de cromodinâmica quântica (QCD), que rendeu o Prêmio Nobel de Física de 2004. Existem duas maneiras de se resultar em uma cor neutra:

• Três quarks se combinando em vermelho + verde + azul resultam na cor branca;
• Um par quark + anti-quark também resulta na cor branca.

Os hádrons compostos por quarks em trios são chamados de bárions, como os prótons e nêutrons. Quarks que se combinam em par quark + anti-quark são chamados de mésons.

A força da cor não mantém unidos apenas os quarks, mas também mantém unidos os prótons e nêutrons que formam os núcleos atômicos — é a chamada força nuclear forte, mediada pelos glúons.

Os quarks também possuem outra característica chamada de "sabor". Existem seis sabores: up, down, charm, strange, top e bottom.

5. Léptons

Os léptons se dividem em três gerações.

6. Bósons