Stabilita kvarků a nukleonů
Teorie, která popisuje vzájemné interakce kvarků a gluonů je známa jako kvantová chromodynamika (QCD). Dva nebo více kvarků, které se ocitly blízko sebe, si s velkou intenzitou vyměňují gluony, které jsou nositeli takzvaně barevného náboje. Ten je podobný náboji elektrickému, ale existuje ve třech energeticky odlišných podobách, které se dle dohody označují červenou, modrou a zelenou barvou. Šest různých druhů gluonů interaguje s osmi různými bosony W+, W-, Zo a Higgsův boson (dále pouze bosony W) a vytváří plnou šíři elementárních částic.
V kvarcích spolu neustále vzájemně reagují vrstvy strun bosonů W, silných jaderných sil neboli gluonů a elektromagnetických sil neboli elektrických nábojů. U silných interakcí má barva a u slabých interakcí má vůně stejnou úlohu jako elektrický náboj u elektromagnetických interakcí. Mají podobnou strukturu, ale vyšší frekvenci a množství energie a vyšší počet závitů. Stabilní soustava nukleonu musí být vyrovnaná v oblasti silných a slabých jaderných sil i elektromagnetických interakcí. Jinak řečeno v oblasti slabé interakce musí mít vyrovnané vůně, v oblasti silné interakce musí být barevně neutrální a v oblasti elektromagnetických sil musí mít celočíselné náboje.
Samostatné kvarky jsou nestabilní. Hlavním důvodem jejich nestability je to, že mají buď pravotočivé nebo levotočivé struny silné jaderné síly. Standardně říkáme, že mají jinou barvu. To je okamžitě přinutí seskupit se tak, aby se výsledný spin spojených kvarků vynuloval a hladina strun silné jaderné síly byla symetrická. To však u samostatného kvarku s jednou silovou strunou gluonu není možné.
Dvousložková soustava stejných kvarků kvarků (up a up, down a down) nemůže být z tohoto hlediska stabilní, protože se jejich silové struny odpuzují. Dvousložková soustava různých kvarků (up a down) nemůže být z tohoto hlediska stabilní, protože hladina jejich silových strun není symetrická. Krátkodobě stabilní jsou pouze kombinace 1 kvarku a 1 podobného antikvarku neboli mezony.
Stabilní uspořádání protonů nebo neutronů složených ze 3 kvarků si lze představit pouze tak, že kvarky v nich jsou silně excentrické a jejich gluony se téměř sdružují a rotují na ustálených hladinách se stejným sklonem jako jejich vlastní fotony obíhajícího kvarku. Sklon diskovitých hladin kvarků v protonu nebo neutronu může být blízký 120 stupňům.
V kvarcích mohou podle množství jejich energie fotony gluonů obíhat po 3 různých hladinách. Při rozpínání vesmíru v jeho prvotní fázi se však zákonitě musely 2 nejenergetičtější hladiny rozpadnout a zůstala třetí poměrně nízkoenergetická hladina, ze které vznikly současné atomy.
Neutron sestává z kladných a záporných kvarků a experimenty dokazují, že elektrický náboj v neutronu je skutečně široce rozložený. Na kvantové úrovni si to lze představit jako ustálené vlnění s přesně do sebe zapadajícími frekvencemi vln elektromagnetické, silné a slabé jaderné interakce. Při ustáleném vlnění ve hmotné částici se musí struna elektromagnetické interakce vyskytovat symetricky v kulové oblasti jejího působení, což platí nejen pro kvarky, ale i pro částice z nich sestavené. Těžiště kladného a záporného náboje pak do sebe přesně zapadají a tak elektrický dipólový moment mizí, což nelze stávající teorií silné interakce vysvětlit. Vysvětluje se zavedením nové částice – axionu.
Při rozpínání vesmíru se průměr oblasti, ve které se kvark pohybuje, zvětšuje nejméně o 2 řády pomaleji v každém rozměru než se rozpínají volné fotony a neutrina. V každém stupni (gravitační, slabá, silná a elektromagnetická interakce) o polovinu pomaleji. Tím vzniká mezi kvarkem a jeho okolím rozdíl energií, který se po čase vyzáří a kvark tím klesne na nižší energetickou hladinu. Tímto způsobem se nejvýše energetické kvarky top a bottom přeměnily na středně energetické kvarky charm a strange a poté na současné kvarky up a down. Při těchto přeměnách došlo ke změnám poměru energie gluonů a kvarků a ke změnám v poměrné vzdálenosti jejich působení. Jestliže u kvarků charm a strange byl poměr poloměru dráhy kvarků a gluonů 106, pak u kvarků up a down a jejich gluonů je 105 a nadále se pomalu zmenšuje, přičemž jejich absolutní rozměr se zvětšuje. Zvětšování rozměrů je pro nás nepozorovatelné, protože jedna kvantová jednotka času představuje v současné době deset miliard roků a zvětšení rozměrů kvarků na jejich dvojnásobek by trvalo přinejmenším dvacet miliard roků.
Těžké kvarky mají fotony sil velké přibližně jako je průměr jádra lehkých kvarků. Proto při jejich setkání vyzáří silný foton nebo dle energetických hladin řadu fotonů a přemění se na lehké kvarky. Nejenergetičtější fotony sil jsou na nejnižší hladině. Mohou však vyzářením části energie při nějaké interakci přejít na vyšší hladinu. Kvark s neúplnou základní hladinou strun některé síly je nestabilní.
Kvarky uvnitř hadronů musí být v určitých kvantových stavech a musí se podřizovat Pauliho vylučovacímu principu. Pauliho vylučovací princip říká, že fermiony (kvarky, protony, neutrony, elektrony a leptony) nemohou být ve stejném kvantovém stavu. Všechny fermiony mají neceločíselný spin, což znamená, že mají vnitřní moment hybnosti rovnající se podílu Planckovy konstanty a lichého celého čísla násobeného konstantou Pí. Existuje také horní hranice stability kvarků. Tu představuje stabilita energetických strun gravitace v základech kvarků. Při výbuchu supernov a výtryscích velice energetických strun v osách otáčení černých děr se urychlují i některé pravotočivé energetické struny na energii, která dostačuje na vznik pravotočivých energetických strun gravitace antihmotných kvarků. Při jejich reakcích s hmotnými kvarky neboli anihilací se uvolňují mimo jiné antineutrina, která v nepatrném rozsahu pozorujeme v kosmickém záření. Naše zařízení naštěstí nemají na takovouto výrobu dostatečnou energii. Jinak by hrozil výbuch, který by zničil celé zařízení i část Země.