A természet jelenségeit négy alapvető kölcsönhatás határozza meg, ezt úgy is mondhatjuk, hogy a részecskék között négyféle alapvető kölcsönhatás hat.
Ezek egyre csökkenő erősséggel
- erős kölcsönhatás: a kvarkokat (és a belőlük felépülő atommagokat is) ez tartja össze,
- elektromágneses kölcsönhatás: az elektromosan töltött részecskék között hat,
- gyenge kölcsönhatás: az atommagok β-bomlása ennek következménye,
- gravitáció: a tömeggel rendelkező testek között hat.
Mindegyik kölcsönhatást egy vagy több részecske (bozon) közvetíti. A fenti kölcsönhatások közül az erős kölcsönhatást vizsgálták a már Nobel-díjas kutatók. Az erős kölcsönhatás tartja össze az atommagokat. Az atommagok pozitív töltésű protonokból és semleges töltésű neutronokból állnak. A protonok és a neutronok azonban maguk is összetettek, három-három kvarkból épülnek fel. A kvarkok létezését először elméleti fizikusok feltételezték még az 1950-es években, később pedig kísérletileg is igazolták, hogy a protonokban valóban ott van a három kvark.
A négy kvark
Szabad kvarkot azonban nem sikerült megfigyelni. Gross, Politzer és Wilczek feltárták a kvarkok közti erők szokatlan tulajdonságait. Ezt az erőt színes erőnek is szokták nevezni - a kvarkok töltését színtöltésnek nevezik -, de ezeknek természetesen semmi közük a makrovilág színeihez, csak a magyarázatot megkönnyítő önkényes elnevezések. Az erős kölcsönhatást leíró elmélet a kvantumszíndinamika nevet kapta.
Gross, Politzer és Wilczek elmélete szerint a kvarkok közti erő annál gyengébb, minél közelebb vannak egymáshoz. Ekkor "színük gyengül", egymás közelében szinte szabad részecskeként viselkednek. Ezt nevezik szaknyelven aszimptotikus szabadságnak. Az állítás ellenkezője is igaz: ahogy a kvarkok távolodnak egymástól, úgy erősödik köztük az összetartó erő. Így már érthető az a kísérleti tapasztalat, hogy csak nagyon nagy energiákon lehet átmenetileg, nagyon rövid időre kiszabadítani a kvarkokat. Régi törekvés a fizika alapvető kölcsönhatásainak egyesítése, valamennyi kölcsönhatás egységes elméletének a megalkotása. Az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatás egységes elmélete már megszületett, kísérletekkel is igazolták. Az erős kölcsönhatás hozzákapcsolása még napjainkban is várat magára.
