Fenomenologiczny obraz oddziaływań cząstek elementarnych

We współczesnej teorii oddziaływań silnych, chromodynamice kwantowej, obraz oddziaływań silnych zmienia się przy przekazach pędów rzędu . Za oddziaływania silne są wtedy odpowiedzialne bezpośrednio oddziaływania kwarków i bezmasowych gluonów, które można opisać w języku diagramów Feynmana. Zatem na fundamentalnym poziomie amplitudy oddziaływań silnych mają, podobnie jak w elektrodynamice, postać , gdzie jest odpowiednią stałą sprzężenia. Zatem różnica "sił" oddziaływań silnych oraz elektromagnetycznych i słabych (a właściwie elektrosłabych) w procesach, w których może pochodzić jedynie z różnic w wartościach ich stałych sprzężenia. Jeśli jednak uwzględnimy zależność stałych sprzężenia i od to i te oddziaływania być może mają podobną siłę w procesach, w których . Sugeruje to obliczana w rachunku zaburzeń w ramach Teorii Standardowej zależność stałych sprzężenia od : ekstrapolując wyniki tych rachunków do bardzo dużych wartości można się przekonać, że stałe i stają się porównywalne przy  GeV. Fakt ten jest jednym z fundamentów tzw. Teorii Wielkiej Unifikacji, o których powiemy więcej w ostatnim rozdziale tego artykułu.

Zasięg i siła są bezpośrednio widocznymi własnościami różnych oddziaływań. Jednak ze współczesnego punktu widzenia najbardziej charakterystycznymi cechami różniącymi poszczególne oddziaływania (silne, elektromagnetyczne i słabe) są ich symetrie. To one leżą u podstaw praw zachowania, które na poziomie fenomenologicznym przypisuje się różnym oddziaływaniom i ich zidentyfikowanie umożliwia ujęcie opisu tych oddziaływań w ramy spójnej teorii.

Na zakończenie tych ogólnych rozważań omówimy ważne pojęcie złożoności cząstek i struktury cząstek aby podkreślić, że nie są one równoważne. Pojęcie złożoności cząstek jest intuicyjnie proste: jądro atomowe składa się z protonów i neutronów; protony i neutrony składają się z kwarków. Istnienie cząstek złożonych można wyjaśnić jako efekt dynamicznego związania bardziej elementarnych obiektów.

Wydaje się obecnie, iż kwarki i leptony nie są stanami związanymi żadnych bardziej elementarnych składników. Nie są to więc cząstki złożone w tym sensie w jakim złożone są jądra atomowe, protony czy mezony. Nie znaczy to jednak, że cząstki te nie mają struktury, którą można by obserwować doświadczalnie. Źródłem tej struktury są efekty kwantowe. Pojedynczy kwark (lub lepiej lepton - gdyż te ostatnie mogą istnieć jako cząstki swobodne) otoczony jest (wirtualnymi) kwantami pól z nim oddziałujących, np. fotonami, które kreują wirtualne pary (lub ). Mówimy wtedy o strukturze cząstek. Strukturę cząstek można badać eksperymentalnie i badania takie dostarczają ważnych informacji o oddziaływaniach elementarnych. Jest tu pełna analogia do doświadczeń R. Hofstadtera, w których badano strukturę nukleonów. Źródłem tej struktury były wirtualne piony otaczające nukleon: na poziomie teorii efektywnej opisującej procesy zachodzące przy charakterystycznych energiach rzędu kilku MeV (będące skutkiem oddziaływań silnych) nukleony są cząstkami elementarnymi, a źródłem ich struktury jest otaczająca je "chmura" wirtualnych pionów.