Υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες υποατομικών σωματιδίων – τα φερμιόνια και τα μποζόνια. Τα φερμιόνια είναι τα σωματίδια που θεωρούμε «υλικά» – λεπτόνια όπως το ηλεκτρόνιο, το νετρίνο και τα ξαδέρφια, και τα κουάρκ όπως το up quark και άλλα στην μεγάλη του οικογένεια. Τα μποζόνια μετρητή είναι τα σωματίδια που μεσολαβούν στις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης – τις αδύναμες και ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις, τον ηλεκτρομαγνητισμό και τη βαρύτητα. Αυτά περιλαμβάνουν το οικείο φωτόνιο και τα πολύ λιγότερο συχνά εμφανιζόμενα ξαδέρφια του, τα μποζόνια W και Z, τα γκλουόνια και (οι φυσικοί αναμένουν) το graviton, το πολυπόθητο σωματίδιο που θεωρείται ότι μεσολαβεί στις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις.
Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τη διαφορά μεταξύ υποατομικών σωματιδίων και θεμελιωδών σωματιδίων. Θεμελιώδης σημαίνει ότι το σωματίδιο δεν έχει μικρότερα συστατικά. είναι θεμελιώδες. Δεν είναι όλα τα υποατομικά σωματίδια θεμελιώδη, αν και όλα τα γνωστά θεμελιώδη σωματίδια είναι υποατομικά, δηλαδή μικρότερα από τα άτομα. Για παράδειγμα, τα πρωτόνια και τα νετρόνια, υποατομικά σωματίδια που αποτελούν το άτομο, είναι σύνθετα σωματίδια και όχι θεμελιώδη, που αποτελούνται από μικρότερα κουάρκ και γκλουόνια. Τα εξωτικά σωματίδια όπως το ταυ νετρίνο ή τα μιόνια είναι υποατομικά επειδή είναι μικρότερα από τα άτομα, αλλά είναι πολύτιμο να θυμόμαστε ότι αυτά δεν είναι μέρος των ατόμων που συνθέτουν ορατές δομές στο σύμπαν μας.
Τα υποατομικά σωματίδια είναι τόσο πολλά και ποικίλα που οι φυσικοί έχουν χρησιμοποιήσει τον όρο «ζωολογικός κήπος σωματιδίων» για να τα περιγράψουν. Στον τομέα των λεπτονίων, υπάρχουν 3 τύποι ηλεκτρονίων – ηλεκτρόνιο, μιόνιο και ταυ – 3 τύποι νετρίνων και τα αντισωματίδια τους, που αποτελούν 12 λεπτόνια. Υπάρχουν τέσσερα γνωστά μποζόνια μετρητή – το φωτόνιο, τα μποζόνια W και Z και το γλουόνιο. Δύο επιπλέον μποζόνια, τα οποία σχεδόν σίγουρα υπάρχουν, αλλά δεν έχουν ακόμη παρατηρηθεί, περιλαμβάνουν το μποζόνιο Higgs και το graviton. Αυτό ανεβάζει το σύνολο των θεμελιωδών σωματιδίων σε 18. Προσθέστε τα πάνω, κάτω, κάτω, πάνω, παράξενα και γοητευτικά κουάρκ και τα αντικουάρκ τους, και έχετε 30 θεμελιώδη, υποατομικά σωματίδια.
Ωστόσο, δεν είναι μόνο αυτό. Ίσως θυμάστε ότι ένα πρωτόνιο ή ένα νετρόνιο αποτελείται από τρία κουάρκ. Αυτά περιλαμβάνουν δύο από τα πάνω και τα κάτω κουάρκ και ένα από τα εναπομείναντα κουάρκ, κολλημένα μαζί με γκλουόνια στον πυρήνα του ατόμου. Ωστόσο, αυτή δεν είναι η μόνη δυνατή διαμόρφωση κουάρκ – απλώς η πιο σταθερή. Εάν μπορούσατε με κάποιο τρόπο να συλλέξετε θεμελιώδη σωματίδια κατά βούληση και να τα κολλήσετε μαζί σε αυθαίρετες διαμορφώσεις, θα μπορούσατε να δημιουργήσετε χιλιάδες νέα υποατομικά σωματίδια.
Εκατοντάδες από αυτά τα υποατομικά σωματίδια έχουν πράγματι παρατηρηθεί σε πειράματα επιταχυντών σωματιδίων. Περιλαμβάνουν μεσόνια, τα οποία έχουν μόνο δύο κουάρκ, και αδρόνια, τα οποία έχουν τρία παρόμοια πρωτόνια και νετρόνια. Υπάρχουν επίσης τα λεγόμενα glueballs ή gluonium, υποατομικά σωματίδια που δεν αποτελούνται από τίποτα άλλο εκτός από γκλουόνια, και το ύποπτο τετρακουάρκ, ένα είδος υποατομικού σωματιδίου που θα αποτελείται από τέσσερα κουάρκ. Υπάρχουν πεντακουάρκ και όχι μόνο; Ίσως ναι, αλλά για να τα βρούμε θα απαιτούσε πειραματική συσκευή πολύ μεγαλύτερη από την τρέχουσα καλύτερή μας.