Лептон

Эта статья содержит специальные символы . Без надлежащей поддержки рендеринга вы можете увидеть вопросительные знаки, прямоугольники и другие символы .

В физике элементарных частиц лептон — элементарная частица с полуцелым спином ( спин 1/2 ) , не испытывающая сильных взаимодействий . ^[1] Существуют два основных класса лептонов: заряженные лептоны (также известные как электроноподобные лептоны или мюоны) и нейтральные лептоны (более известные как нейтрино ). Заряженные лептоны могут объединяться с другими частицами, образуя различные сложные частицы , такие как атомы и позитроний , тогда как нейтрино редко с чем-либо взаимодействуют и, следовательно, редко наблюдаются. Самый известный из всех лептонов — электрон .

Существует шесть типов лептонов, известных как ароматы , сгруппированных в три поколения . ^[2] Лептоны первого поколения , также называемые электронными лептонами , включают в себя электрон (
е⁻
) и электронное нейтрино (
ν
_е); вторые — мюонные лептоны , в состав которых входит мюон (
мкм⁻
) и мюонное нейтрино (
ν
_мкм); и третьи — тауонные лептоны , включающие тау (
τ⁻
) и тау-нейтрино (
ν
_τ). Электроны имеют наименьшую массу из всех заряженных лептонов. Более тяжелые мюоны и тау быстро превратятся в электроны и нейтрино в процессе распада частиц : перехода из состояния с более высокой массой в состояние с меньшей массой. Таким образом, электроны стабильны и являются наиболее распространенным заряженным лептоном во Вселенной , тогда как мюоны и тау-лептоны могут рождаться только в результате столкновений высоких энергий (например, с участием космических лучей или в ускорителях частиц ).

Лептоны обладают различными внутренними свойствами , включая электрический заряд , спин и массу . Однако, в отличие от кварков , лептоны не подвержены сильному взаимодействию , но они подвержены трем другим фундаментальным взаимодействиям : гравитации , слабому взаимодействию и электромагнетизму , из которых последний пропорционален заряду и, таким образом, равен нулю для электрически нейтральные нейтрино.

Для каждого аромата лептона существует соответствующий тип античастицы , известный как антилептон, который отличается от лептона только тем, что некоторые из его свойств имеют одинаковую величину, но противоположный знак . Согласно некоторым теориям, нейтрино могут быть собственными античастицами . В настоящее время неизвестно, так ли это.

Первый заряженный лептон, электрон, был теоретизирован в середине 19 века несколькими учёными ^[3]^[4]^[5] и открыт в 1897 году Дж. Дж. Томсоном . ^[6] Следующим наблюдаемым лептоном был мюон , открытый Карлом Д. Андерсоном в 1936 году и в то время классифицированный как мезон . ^[7] После исследования выяснилось, что мюон не обладал ожидаемыми свойствами мезона, а скорее вел себя как электрон, только с большей массой. Лишь в 1947 году была предложена концепция «лептонов» как семейства частиц. ^[8] Первое нейтрино, электронное нейтрино, было предложено Вольфгангом Паули в 1930 году для объяснения некоторых характеристик бета-распада . ^[8] Впервые оно было обнаружено в эксперименте с нейтрино Коуэна-Рейнса , проведенном Клайдом Коуэном и Фредериком Рейнсом в 1956 году . ^[8]^[9] Мюонное нейтрино было открыто в 1962 году Леоном М. Ледерманом , Мелвином Шварцем и Джеком Стейнбергером . ^[10] и тау, открытый между 1974 и 1977 годами Мартином Льюисом Перлом и его коллегами из Стэнфордского центра линейных ускорителей и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли . ^[11] Тау -нейтрино оставалось неуловимым до июля 2000 года, когда коллаборация DONUT из Фермилаба объявила о его открытии. ^[12]^[13]

Лептоны являются важной частью Стандартной модели . Электроны являются одним из компонентов атомов , наряду с протонами и нейтронами . Также можно синтезировать экзотические атомы с мюонами и тау вместо электронов, а также лептон-антилептонные частицы, такие как позитроний .

Этимология

Название лептон происходит от греческого λεπτός leptós , «тонкий, маленький, тонкий» ( средняя форма именительного/винительного падежа единственного числа: λεπτόν лептон ); ^[14]^[15] Самая ранняя засвидетельствованная форма этого слова - микенский греческий 𐀩𐀡𐀵 , re-po-to , написанный линейным слоговым письмом B. ^[16] Лептон был впервые использован физиком Леоном Розенфельдом в 1948 году: ^[17]

Следуя предложению профессора К. Мёллера , я принимаю — в качестве дополнения к слову «нуклон» — наименование «лептон» (от λεπτός — маленький, тонкий, хрупкий) для обозначения частицы небольшой массы.

Розенфельд выбрал это название потому, что единственными известными лептонами в то время были электроны и мюоны, массы которых малы по сравнению с нуклонами — масса электрона (0,511 МэВ/ с ² ) ^[18] и массу мюона (со значением105,7 МэВ/ c ² ) ^[19] составляют доли массы «тяжелого» протона (938,3 МэВ/ с ² ). ^[20] Однако масса тау (обнаруженного в середине 1970-х годов) (1777 МэВ/ c ² ) ^[21] почти в два раза больше, чем у протона и примерно в 3500 раз больше, чем у электрона.

История

Первым идентифицированным лептоном был электрон, открытый Дж. Дж. Томсоном и его командой британских физиков в 1897 году. ^[22]^[23] Затем в 1930 году Вольфганг Паули постулировал, что электронное нейтрино сохраняет сохранение энергии , сохранение импульса и сохранение угловой момент при бета-распаде . ^[24] Паули предположил, что необнаруженная частица уносит разницу между энергией , импульсом и угловым моментом начальной и наблюдаемой конечной частицы. Электронное нейтрино называли просто нейтрино, поскольку еще не было известно, что нейтрино бывают разных вкусов (или разных «поколений»).

Почти через 40 лет после открытия электрона мюон был открыт Карлом Д. Андерсоном в 1936 году. Из-за своей массы его первоначально отнесли к категории мезона , а не лептона. ^[25] Позже стало ясно, что мюон гораздо больше похож на электрон, чем на мезоны, поскольку мюоны не подвергаются сильному взаимодействию , и поэтому мюон был реклассифицирован: электроны, мюоны и (электронное) нейтрино были сгруппированы в новая группа частиц — лептоны. В 1962 году Леон М. Ледерман , Мелвин Шварц и Джек Стейнбергер показали, что существует более одного типа нейтрино, впервые обнаружив взаимодействия мюонного нейтрино , что принесло им Нобелевскую премию 1988 года , хотя к тому времени уже были известны различные разновидности нейтрино. было теоретизировано. ^[26]

Тау был впервые обнаружен в серии экспериментов между 1974 и 1977 годами Мартином Льюисом Перлом и его коллегами из группы SLAC LBL . ^[27] Ожидалось, что, как и у электрона и мюона, у него тоже будет связанное нейтрино. Первые доказательства существования тау-нейтрино были получены в результате наблюдения «недостающей» энергии и импульса при тау-распаде, аналогичного «недостающим» энергии и импульсу при бета-распаде, что привело к открытию электронного нейтрино. О первом обнаружении взаимодействия тау-нейтрино было объявлено в 2000 году коллаборацией DONUT в Фермилабе , что сделало его второй после последней частицей Стандартной модели , которая наблюдалась напрямую, ^[28] с бозоном Хиггса , открытым в 2012 году.

Хотя все имеющиеся данные согласуются с тремя поколениями лептонов, некоторые физики элементарных частиц ищут четвертое поколение. Текущий нижний предел массы такого четвертого заряженного лептона составляет100,8 ГэВ/ с ² , ^[29] , а связанное с ним нейтрино имело бы массу не менее45,0 ГэВ/ с ² . ^[30]

Характеристики

Спин и хиральность

Левосторонние и правосторонние спиральности

Лептоны вращаются 1/2частицы. Таким образом, теорема о спин-статистике подразумевает, что они являются фермионами и, следовательно, подчиняются принципу исключения Паули : никакие два лептона одного и того же вида не могут находиться в одном и том же состоянии одновременно. Более того, это означает, что лептон может иметь только два возможных состояния спина: вверх или вниз.

Близким свойством является хиральность , которая, в свою очередь, тесно связана с более легко визуализируемым свойством, называемым спиральностью . Спиральность частицы — это направление ее вращения относительно ее импульса ; Частицы, спины которых направлены в том же направлении, что и их импульс, называются правыми , иначе их называют левыми . Когда частица не имеет массы, направление ее импульса относительно ее спина одинаково во всех системах отсчета, тогда как для массивных частиц можно «догнать» частицу, выбрав более быстро движущуюся систему отсчета ; в более быстром кадре спиральность меняется на противоположную. Хиральность — это техническое свойство, определяемое посредством поведения преобразования в группе Пуанкаре , которое не меняется в зависимости от системы отсчета. Это ухитрилось согласовать со спиральностью для безмассовых частиц и все еще четко определено для частиц с массой.

Во многих квантовых теориях поля , таких как квантовая электродинамика и квантовая хромодинамика , левые и правые фермионы идентичны. Однако слабое взаимодействие Стандартной модели трактует левые и правые фермионы по-разному: в слабом взаимодействии участвуют только левые фермионы (и правые антифермионы). Это пример нарушения четности, явно записанного в модели. В литературе левые поля часто обозначаются заглавным индексом $L$ (например, нормальный электрон: $e L -$ ), а правосторонние поля обозначаются заглавным индексом $R$ (например, позитрон $e R +$ ).

Правые нейтрино и левые антинейтрино не имеют возможности взаимодействия с другими частицами ( см. стерильные нейтрино ) и поэтому не являются функциональной частью Стандартной модели, хотя их исключение не является строгим требованием; иногда их перечисляют в таблицах частиц, чтобы подчеркнуть, что, если они включены в модель, они не будут играть активной роли. Несмотря на то, что электрически заряженные правые частицы (электрон, мюон или тау) конкретно не участвуют в слабом взаимодействии, они все равно могут взаимодействовать электрически и, следовательно, по-прежнему участвовать в комбинированном электрослабом взаимодействии , хотя и с разной силой ( Y W ).

Электромагнитное взаимодействие

$Одним$ из наиболее выдающихся свойств лептонов является их электрический заряд Q. Электрический заряд определяет силу их электромагнитного взаимодействия . Она определяет силу электрического поля , создаваемого частицей (см. закон Кулона ) и то, насколько сильно частица реагирует на внешнее электрическое или магнитное поле (см. силу Лоренца ). Каждое поколение содержит один лептон с ^[a] и один лептон с нулевым электрическим зарядом. Лептон с электрическим зарядом обычно называют просто заряженным лептоном , а нейтральный лептон называют нейтрино . Например, первое поколение состоит из электрона $\;Q=-1\,e\;$ $е -$ с отрицательным электрическим зарядом и электрически нейтральным электронным нейтрино $ν е$ .

На языке квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие заряженных лептонов выражается тем, что частицы взаимодействуют с квантом электромагнитного поля — фотоном . Справа показана фейнмановская диаграмма электрон-фотонного взаимодействия .

Поскольку лептоны обладают собственным вращением в форме своего спина, заряженные лептоны генерируют магнитное поле. Размер их магнитного дипольного момента $μ$ определяется выражением

\mu =g\, {\frac {\;Q\hbar \;}{4m}}\,

где $m$ — масса лептона, а $g$ — так называемый « $g-$ фактор» лептона. Квантово-механическое приближение первого порядка предсказывает, что $g-$ фактор равен 2 для всех лептонов. Однако квантовые эффекты более высокого порядка, вызванные петлями в диаграммах Фейнмана, вносят поправки в это значение. Эти поправки, называемые аномальным магнитным дипольным моментом , очень чувствительны к деталям модели квантовой теории поля и, таким образом, предоставляют возможность прецизионного тестирования Стандартной модели. Согласование теоретических и измеренных значений аномального магнитного дипольного момента электрона находится в пределах восьми значащих цифр. ^[31] Результаты для мюона , однако, проблематичны , намекая на небольшое, постоянное несоответствие между Стандартной моделью и экспериментом.

Слабое взаимодействие

В Стандартной модели левозаряженный лептон и левое нейтрино располагаются в дублете $( ν$ $e$ $L$ $, e$ $- Л)$ , который преобразуется в спинорное представление $($ $T$ $=$ $1 / 2)$ слабой изоспиновой калибровочной симметрии SU(2) . Это означает, что эти частицы являются собственными состояниями проекции изоспина $Т$ ₃ с собственными значениями ++ 1 /2 и —+ 1 /2 соответственно. Между тем, правозаряженный лептон трансформируется как слабый скаляр изоспина $($ $T$ $= 0)$ и, таким образом, не участвует в слабом взаимодействии , в то время как нет никаких доказательств того, что правое нейтрино вообще существует.

Механизм Хиггса рекомбинирует калибровочные поля симметрии слабого изоспина SU(2) и слабого гиперзаряда U(1) в три массивных векторных бозона ( $Вт +$ , $Вт -$ , $З 0$ ), опосредующий слабое взаимодействие , и один безмассовый векторный бозон, фотон ( $γ$ ), ответственный за электромагнитное взаимодействие. Электрический заряд $Q$ можно рассчитать из проекции изоспина $T$ ₃ и слабого гиперзаряда $Y$ _W по формуле Гелла-Манна-Нисидзимы :

Q = Т 3 + 1 / 2 Ю В

Чтобы восстановить наблюдаемые электрические заряды для всех частиц, был использован левый слабый дублет изоспина $( ν e L, e - Л)$ должно, таким образом, иметь $Y$ $W$ $= -1$ , а правый скаляр изоспина $e$ $- Р$ должно иметь $Y$ $W$ $= -2$ . Взаимодействие лептонов с массивными векторными бозонами слабого взаимодействия показано на рисунке справа.

Масса

В Стандартной модели каждый лептон изначально не имеет собственной массы. Заряженные лептоны (т.е. электрон, мюон и тау) получают эффективную массу за счет взаимодействия с полем Хиггса , но нейтрино остаются безмассовыми. По техническим причинам безмассовость нейтрино означает, что здесь нет смешивания разных поколений заряженных лептонов, как это происходит в случае кварков . Нулевая масса нейтрино хорошо согласуется с современными прямыми экспериментальными наблюдениями массы. ^[32]

Однако из косвенных экспериментов — в первую очередь из наблюдаемых нейтринных осцилляций ^[33] — известно, что нейтрино должны иметь ненулевую массу, вероятно, меньшую, чем2 эВ/ c ² . ^[34] Это подразумевает существование физики за пределами Стандартной модели . В настоящее время наиболее предпочтительным расширением является так называемый механизм качелей , который мог бы объяснить, почему левые нейтрино настолько легкие по сравнению с соответствующими заряженными лептонами, и почему мы до сих пор не видели ни одного правого нейтрино.

Квантовые числа лептонного аромата

Членам слабого дублета изоспина каждого поколения присвоены лептонные номера , которые сохраняются в рамках Стандартной модели. ^[35] Электроны и электронные нейтрино имеют электронное число $L e = 1$ , в то время как мюоны и мюонные нейтрино имеют мюонное число $L μ = 1$ , а тау-частицы и тау-нейтрино имеют тау - число $L τ = 1$ . Лептонные числа соответствующего поколения антилептонов равны $-1$ .

Сохранение лептонного числа означает, что число лептонов одного типа остается неизменным при взаимодействии частиц. Это означает, что лептоны и антилептоны должны создаваться парами одного поколения. Например, при сохранении лептонных чисел допускаются следующие процессы:

Каждое поколение образует слабый дублет изоспина .

γ \to е- + е+

З0 \to τ- + τ+

но ничего из этого:

γ \to е- + мкм+

Вт- \to е- + ντ

З0 \to мкм- + τ+

Однако известно, что нейтринные осцилляции нарушают сохранение индивидуальных лептонных чисел. Такое нарушение считается убедительным доказательством того, что физика выходит за рамки Стандартной модели . Гораздо более сильный закон сохранения — это сохранение полного числа лептонов ( $L$ без индекса ), сохраняющийся даже в случае нейтринных осцилляций, но даже он все равно на крошечную величину нарушается киральной аномалией .

Универсальность

Связь лептонов со всеми типами калибровочных бозонов не зависит от аромата: взаимодействие между лептонами и калибровочным бозоном одинаково для каждого лептона. ^[35] Это свойство называется лептонной универсальностью и было проверено при измерении времен жизни мюонов и тау , а также $З$ ширины частичного распада бозона , особенно в экспериментах на Стэнфордском линейном коллайдере (SLC) и большом электрон-позитронном коллайдере (LEP). ^[36]^{: 241–243}^[37]^{: 138}

Скорость распада ( ) мюонов в процессе $\Гамма$ $мкм- \to е- + νе + νмкм$ приближенно задается выражением вида ( подробнее см. распад мюона ) ^[35]

\Gamma \left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)\approx K_{2 }\,G_{\text{F}}^{2}\,m_{\mu }^{5}~,

где $K$ ₂ — некоторая константа, а _GF $—$ константа связи Ферми . Скорость распада тау-частиц в процессе $τ- \to е- + νе + ντ$ задаётся выражением того же вида ^[35]

\Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)\approx K_{3 }\,G_{\text{F}}^{2}\,m_{\tau }^{5}~,

где $К$ ₃ — какая-то другая константа. Из мюон-тауонной универсальности следует, что $K$ ₂ ≈ $K$ ₃ . С другой стороны, электрон-мюонная универсальность предполагает ^[35]

0,9726\times \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)=\ Гамма \left(\tau ^{-}\rightarrow \mu ^{-}+{\bar {\nu _{\mu }}}+\nu _{\tau }\right)~.

Коэффициенты ветвления электронной моды (17,82%) и мюонной (17,39%) моды тау-распада не равны из-за разницы масс лептонов в конечном состоянии. ^[21]

Универсальность также объясняет соотношение времен жизни мюонов и тау. Время жизни лептона (с = « $μ$ » или « $τ$ ») связано со скоростью распада соотношением ^[35] $\mathrm {T} _ {\ell }$ $\ell$ $\ell$

\mathrm {T} _{\ell }={\frac {\;{\mathcal {B}}\left(\ell ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\ell }\right)\;}{\Gamma \left(\ell ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e} }}+\nu _{\ell }\right)}}\,

где обозначает коэффициенты ветвления и обозначает ширину резонанса процесса с заменой $x$ и $y$ двумя разными частицами из « $e$ », « $μ$ » или « $τ$ ». $\;{\mathcal {B}}(x\rightarrow y)\;$ $\;\Гамма (x\rightarrow y)\;$ $\;x\rightarrow y~,$

Таким образом, соотношение времен жизни тау и мюонов определяется выражением ^[35]

{\ displaystyle {\ frac {\, \ mathrm {T} _ {\ tau } \, {\ mathrm {T} _ {\ mu }}} = {\ frac {\; {\ mathcal {B}} \ left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)\;}{{\mathcal {B}} \left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)}}\,\left({\frac {m_{\mu }}{m_{\tau }}}\right)^{5}~.}

Использование значений коэффициентов ветвления мюона ^[19] и тау ^[21] из Обзора физики элементарных частиц за 2008 год дает коэффициент времени жизни ~1,29 × 10 ^-7 , что сравнимо с измеренным коэффициентом времени жизни ~1,32 × 10 ^-7 . Разница связана с тем, что $K$ ₂ и $K$ ₃на самом деле не являются постоянными: они слегка зависят от массы участвующих лептонов.

Недавние тесты универсальности лептонов в $Б$ Распады мезонов , выполненные экспериментами LHCb , BaBar и Belle , показали постоянные отклонения от предсказаний Стандартной модели. Однако совокупная статистическая и систематическая значимость еще недостаточно высока, чтобы претендовать на открытие новой физики . ^[38]

В июле 2021 года были опубликованы результаты проверки универсальности лептона при тестировании распада W. Предыдущие измерения LEP дали небольшой дисбаланс, но новые измерения коллаборации ATLAS имеют вдвое большую точность и дают соотношение, которое согласуется с предсказанием стандартной модели. единство ^[39]^[40]^[41] ${\mathcal {B}}(W\rightarrow \tau ^{-}+\nu _ {\tau })/{\mathcal {B}}(W\rightarrow \mu ^{-}+\nu _{\mu })=0,992\pm 0,013$

Таблица лептонов

Смотрите также

Формула Койде
Список частиц
Преоны — гипотетические частицы, которые когда-то считались субкомпонентами кварков и лептонов.

Примечания

^ ab Заряд частицы условно выражают в единицах элементарного заряда , $e$ .

дальнейшее чтение

Амслер, К.; и другие. ( Группа данных о частицах ) (2008). «Обзор физики элементарных частиц» (PDF) . Буквы по физике Б. 667 (1): 1. Бибкод : 2008PhLB..667....1A. doi :10.1016/j.physletb.2008.07.018. hdl : 1854/LU-685594 . S2CID 227119789.
Аницин, И.В. (2005). «Нейтрино: его прошлое, настоящее и будущее». arXiv : физика/0503172 .
Фукуда, Ю.; и другие. (1998). «Доказательства колебаний атмосферных нейтрино». Письма о физических отзывах . 81 (8): 1562–1567. arXiv : hep-ex/9807003 . Бибкод : 1998PhRvL..81.1562F. doi : 10.1103/PhysRevLett.81.1562. S2CID 7102535.
Кодама, К.; и другие. (2001). «Наблюдение тау-нейтринных взаимодействий». Буквы по физике Б. 504 (3): 218–224. arXiv : hep-ex/0012035 . Бибкод : 2001PhLB..504..218D. дои : 10.1016/S0370-2693(01)00307-0. S2CID 119335798.
Б. Р. Мартин; Г. Шоу (1992). «Глава 2: Лептоны, кварки и адроны» . Физика частиц . Джон Уайли и сыновья . стр. 23–47. ISBN 978-0-471-92358-9.
Неддермейер, С.Х.; Андерсон, компакт-диск (1937). «Заметка о природе частиц космических лучей» (PDF) . Физический обзор . 51 (10): 884–886. Бибкод : 1937PhRv...51..884N. doi : 10.1103/PhysRev.51.884.
Перл, ML; и другие. (1975). «Доказательства аномального образования лептонов при e ⁺ –e ⁻ аннигиляции». Письма о физических отзывах . 35 (22): 1489–1492. Бибкод : 1975PhRvL..35.1489P. doi : 10.1103/PhysRevLett.35.1489.
Пескин, Мэн; Шредер, Д.В. (1995). Введение в квантовую теорию поля . Вествью Пресс . ISBN 978-0-201-50397-5.
Риссельманн, К. (2007). «Журнал: изобретение нейтрино». Журнал «Симметрия» . 4 (2). Архивировано из оригинала 31 мая 2009 года.
Розенфельд, Л. (1948). Ядерные силы . Издательство Интерсайенс . п. XVIII.
Шанкар, Р. (1994). «Глава 2: Вращательная инвариантность и угловой момент». Принципы квантовой механики (2-е изд.). Спрингер . стр. 305–352. ISBN 978-0-306-44790-7.
Вайнберг, С. (2003). Открытие субатомных частиц . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-82351-7.
Уилсон, Р. (1997). Астрономия на протяжении веков: история человеческой попытки понять Вселенную . ЦРК Пресс . п. 138. ИСБН 978-0-7484-0748-4.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме лептонов .

Найдите лептон в Викисловаре, бесплатном словаре.

«Домашняя страница группы данных о частицах» .– PDG собирает авторитетную информацию о свойствах частиц.
«Лептоны». Физика и астрономия. Государственный университет Джорджии. Гиперфизика .– совокупность лептонов.