Число лептонов

Разница между числом лептонов и антилептонов

В физике элементарных частиц лептонное число (исторически также называемое лептонным зарядом ) ^[1] — это сохраняющееся квантовое число, представляющее собой разницу между числом лептонов и числом антилептонов в реакции элементарной частицы. ^[2] Лептонное число — это аддитивное квантовое число , поэтому его сумма сохраняется во взаимодействиях (в отличие от мультипликативных квантовых чисел, таких как четность, где вместо этого сохраняется произведение). Лептонное число определяется как где ${\displaystyle L}$ $${\displaystyle L=n_{\ell }-n_{\overline {\ell }},}$$

• ${\displaystyle n_{\ell }\quad }$это число лептонов и
• ${\displaystyle n_{\overline {\ell }}\quad }$— число антилептонов .

Число лептонов было введено в 1953 году для объяснения отсутствия таких реакций, как

ν
+
н
→
п
+
е⁻

в эксперименте Коуэна-Рейнса с нейтрино , который вместо этого наблюдал

ν
+
п
→
н
+
е⁺
. ^[3]

Этот процесс, обратный бета-распад , сохраняет лептонное число, поскольку входящее антинейтрино имеет лептонное число −1, в то время как выходящий позитрон (антиэлектрон) также имеет лептонное число −1.

Сохранение вкуса лептона

В дополнение к лептонному числу, числа лептонных семейств определяются как ^[4]

${\displaystyle L_{\mathrm {e} }}$число электронов , для электрона и электронного нейтрино ;

${\displaystyle L_{\mathrm {\mu } }}$число мюонов для мюона и мюонного нейтрино ; и

${\displaystyle L_{\mathrm {\tau } }}$число тау для тауона и тау-нейтрино .

Яркими примерами сохранения аромата лептонов являются распады мюонов.

μ−→е−+νе+νμ

и

μ+→е++νе+νμ .

В этих реакциях распада рождение электрона сопровождается рождением электронного антинейтрино , а рождение позитрона сопровождается рождением электронного нейтрино. Аналогично, распадающийся отрицательный мюон приводит к рождению мюонного нейтрино , в то время как распадающийся положительный мюон приводит к рождению мюонного антинейтрино . ^[5]

Наконец, слабый распад лептона на лептон с меньшей массой всегда приводит к образованию пары нейтрино - антинейтрино :

τ−→μ−+νμ+ντ .

Одно нейтрино переносит лептонное число распадающегося тяжелого лептона ( в данном примере тауона , слабым остатком которого является тау-нейтрино ) и антинейтрино, которое отменяет лептонное число вновь созданного более легкого лептона, заменившего исходный. (В данном примере мюонное антинейтрино с , которое отменяет лептонное число мюона . ${\displaystyle L_{\mathrm {\mu } }=-1}$ ${\displaystyle L_{\mathrm {\mu } }=+1}$

Нарушения законов сохранения лептонного числа

Аромат лептона сохраняется лишь приблизительно и, что примечательно, не сохраняется в нейтринных осцилляциях . ^[6] Однако и общее число лептонов, и аромат лептона по-прежнему сохраняются в Стандартной модели.

Многочисленные поиски физики за пределами Стандартной модели включают поиски нарушения лептонного числа или аромата лептонов, такие как гипотетический распад ^[7]

μ−→е−+γ .

Такие эксперименты, как MEGA и SINDRUM, искали нарушение лептонного числа в распадах мюонов на электроны; MEG установил текущий предел ветвления порядка 10−13 ^и планирует снизить его до 10−14 ^после 2016 года. ^{[ 8]} Некоторые теории за пределами Стандартной модели, такие как суперсимметрия , предсказывают коэффициенты ветвления порядка ^{10−12–10−14} . ^[7] Эксперимент Mu2e , строительство которого началось в 2017 году, имеет запланированную чувствительность порядка 10−17 ^. [ ^9]

Поскольку закон сохранения числа лептонов фактически нарушается хиральными аномалиями , существуют проблемы с универсальным применением этой симметрии во всех энергетических масштабах. Однако квантовое число B − L обычно сохраняется в моделях Великого объединения .

Если нейтрино окажутся майорановскими фермионами , то ни индивидуальные лептонные числа, ни общее лептонное число, ни $${\displaystyle L\equiv L_{\mathrm {e} }+L_{\mathrm {\mu } }+L_{\mathrm {\tau } },}$$

Б − Л

будет сохраняться, например, при безнейтринном двойном бета-распаде , когда два нейтрино, сталкивающиеся лоб в лоб, могут фактически аннигилировать, подобно (никогда не наблюдавшемуся) столкновению нейтрино и антинейтрино.

Обратные знаки соглашения

Некоторые авторы предпочитают использовать лептонные числа, которые соответствуют знакам зарядов участвующих лептонов, следуя принятому соглашению для знака слабого изоспина и знака квантового числа странности ( для кварков ), оба из которых традиционно имеют произвольный знак квантового числа, соответствующий знаку электрических зарядов частиц.

При соблюдении соглашения о знаке электрического заряда лептонное число (показанное здесь с чертой сверху, чтобы избежать путаницы) электрона , мюона , тауона и любого нейтрино считается лептонным числом позитрона , антимюона , антитауона и любого антинейтрино считается При соблюдении этого соглашения о знаке наоборот барионное число остается неизменным, но разность B − L заменяется суммой: B + L , числовое значение которой остается неизменным, поскольку ${\displaystyle {\bar {L}}=-1;}$ ${\displaystyle {\bar {L}}=+1.}$

L = −L,

и

В + Л = В − Л.

Смотрите также

• Барионное число

Ссылки

1. Грибов, В.; Понтекорво, Б. (1969-01-20). «Нейтринная астрономия и лептонный заряд». Physics Letters B. 28 ( 7): 493–496. Bibcode :1969PhLB...28..493G. doi :10.1016/0370-2693(69)90525-5. ISSN  0370-2693.
2. Гриффитс, Дэвид Дж. (1987). Введение в элементарные частицы . Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-60386-3;Типлер, Пол; Ллевеллин, Ральф (2002). Современная физика (4-е изд.). WH Freeman. ISBN 978-0-7167-4345-3.
3. Konopinski, EJ; Mahmoud, HM (1953-11-15). "Универсальное взаимодействие Ферми". Physical Review . 92 (4): 1045–1049. Bibcode :1953PhRv...92.1045K. doi :10.1103/physrev.92.1045.
4. Мартин, Виктория Дж., профессор (25 февраля 2008 г.). Кварки и лептоны, мезоны и барионы (PDF) (конспекты лекций). Физика 3. Том. Лекция 5. Эдинбургский университет. стр. 2. Получено 23 мая 2021 г.{{cite report}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
5. Слански, Ричард; Раби, Стюарт; Голдман, Терри; Гарви, Джерри (1997). Купер, Несия Грант (ред.). «Осциллирующее нейтрино: введение в массы нейтрино и смешивание» (PDF) . Los Alamos Science . Los Alamos National Laboratory . стр. 10–56 . Получено 23 мая 2021 г. .
6. Фукуда, Y.; Хаякава, T.; Ичихара, E.; Иноуэ, K.; Исихара, K.; Ишино, H.; и др. (Сотрудничество Super-Kamiokande) (1998-08-24). "Доказательства осцилляции атмосферных нейтрино". Physical Review Letters . 81 (8): 1562–1567. arXiv : hep-ex/9807003 . Bibcode : 1998PhRvL..81.1562F. doi : 10.1103/PhysRevLett.81.1562. S2CID  7102535.
7. Adam, J.; Bai, X.; Baldini, AM; Baracchini, E.; Bemporad, C.; Boca, G.; et al. (MEG Collaboration) (21 октября 2011 г.). "Новый предел распада mu+ на e+ gamma, нарушающего аромат лептона". Physical Review Letters . 107 (17): 171801. arXiv : 1107.5547 . Bibcode :2011PhRvL.107q1801A. doi :10.1103/PhysRevLett.107.171801. PMID  22107507. S2CID  119278774.
8. Baldini, AM; et al. (сотрудничество MEG) (май 2016 г.). «Поиск распада, нарушающего аромат лептона μ ⁺ → e ⁺ γ, с использованием полного набора данных эксперимента MEG». arXiv : 1605.05081 [hep-ex].
9. Квон, Диана (2015-04-21). «Mu2e прокладывает путь эксперименту в поисках новой физики» (пресс-релиз). Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми . Получено 2017-12-08 .