Lepton - Lepton
Kategorie Fermion | Generowanie cząstek elementarnych | |||
---|---|---|---|---|
Rodzaj | Podtyp | Najpierw | druga | Trzeci |
Kwarki ( kolorowe ) |
w dół | w dół | dziwne | na dole |
up-type | w górę | czar | szczyt | |
Leptony (bezbarwne) |
naładowany | elektron | mion | tauon |
neutralny | neutrino elektronowe | neutrino mionowe | neutrino tau |
Kompozycja | Cząstka elementarna |
---|---|
Statystyka | Fermionowy |
Pokolenie | 1., 2., 3. |
Interakcje | elektromagnetyzm , grawitacja , słaby |
Symbol | ℓ |
Antycząstka | Antylepton ( ℓ ) |
Rodzaje | 6 ( elektron , neutrino elektronowe , mion , mion neutrino , tau , tau neutrino ) |
Ładunek elektryczny | +1 e , 0 e , -1 e |
Opłata kolor | Nie |
Kręcić się | 1 ⁄ 2 |
W fizyce cząstek , A leptonem jest cząstek elementarnych o pół całkowitej wirowania ( wirowanie 1 / 2 ), które nie ulega silnych oddziaływań . Istnieją dwie główne klasy leptonów: leptony naładowane (znane również jako leptony elektronopodobne lub miony) oraz leptony neutralne (lepiej znane jako neutrina ). Naładowane leptony mogą łączyć się z innymi cząstkami, tworząc różne cząstki złożone, takie jak atomy i pozytron , podczas gdy neutrina rzadko wchodzą w interakcje z czymkolwiek i w konsekwencji są rzadko obserwowane. Najbardziej znanym ze wszystkich leptonów jest elektron .
Istnieje sześć rodzajów leptonów, zwanych smakami , pogrupowanych w trzy pokolenia . Do pierwszej generacji leptony, zwane również leptony elektroniczne , składają się z elektronu (
mi−
) i neutrino elektronowe (
ν
mi); drugie to leptony mionowe , w skład których wchodzi mion (
μ−
) i neutrino mionowe (
ν
μ); a trzecim są leptony tauoniczne , w skład których wchodzą tau (
τ−
) i neutrino tau (
ν
τ). Elektrony mają najmniejszą masę ze wszystkich naładowanych leptonów. Cięższe miony i tau szybko zamienią się w elektrony i neutrina w procesie rozpadu cząstek : transformacji ze stanu o wyższej masie do stanu o niższej masie. Tak więc elektrony są stabilnymi i najczęściej naładowanymi leptonami we wszechświecie , podczas gdy miony i taus mogą powstawać tylko w zderzeniach wysokoenergetycznych (takich jak te z udziałem promieniowania kosmicznego czy te przeprowadzane w akceleratorach cząstek ).
Leptony mają różne właściwości wewnętrzne , w tym ładunek elektryczny , spin i masę . Jednak w przeciwieństwie do kwarków leptony nie podlegają oddziaływaniu silnemu , ale podlegają pozostałym trzem podstawowym oddziaływaniom : grawitacji , oddziaływaniu słabym , oraz elektromagnetyzmowi , z którego ten ostatni jest proporcjonalny do ładunku, a zatem jest zerowy dla neutrina elektrycznie obojętne.
Dla każdego smaku leptonowego istnieje odpowiedni rodzaj antycząstki , zwany antyleptonem, który różni się od leptonu tylko tym, że niektóre jego właściwości mają jednakową wielkość, ale przeciwny znak . Według niektórych teorii neutrina mogą być ich własnymi antycząstkami . Obecnie nie wiadomo, czy tak jest.
Pierwszy naładowany lepton, elektron, został wymyślony w połowie XIX wieku przez kilku naukowców i został odkryty w 1897 roku przez JJ Thomsona . Kolejnym obserwowanym leptonem był mion , odkryty przez Carla D. Andersona w 1936 roku, który wówczas był klasyfikowany jako mezon . Po zbadaniu okazało się, że mion nie ma oczekiwanych właściwości mezonu, a raczej zachowuje się jak elektron, tylko o większej masie. Dopiero w 1947 roku zaproponowano koncepcję „leptonów” jako rodziny cząstek. Pierwsze neutrino, neutrino elektronowe, zostało zaproponowane przez Wolfganga Pauliego w 1930 roku w celu wyjaśnienia pewnych cech rozpadu beta . Po raz pierwszy zaobserwowano je w eksperymencie z neutrinami Cowana-Reinesa przeprowadzonym przez Clyde'a Cowana i Fredericka Reinesa w 1956 roku. Neutrino mionowe zostało odkryte w 1962 roku przez Leona M. Ledermana , Melvina Schwartza i Jacka Steinbergera , a tau odkryte w latach 1974-1977 przez Martin Lewis Perl i jego koledzy ze Stanford Linear Accelerator Center i Lawrence Berkeley National Laboratory . Tau neutrino pozostawał nieuchwytny aż do lipca 2000 roku, kiedy to współpraca DONUT z Fermilab ogłosił swoje odkrycie.
Leptony są ważną częścią Modelu Standardowego . Elektrony są jednym ze składników atomów , obok protonów i neutronów . Można również syntetyzować egzotyczne atomy z mionami i tausami zamiast elektronów, a także cząstki leptonowo-antyleptonowe, takie jak pozyton .
Etymologia
Nazwa leptonem pochodzi od greckich λεπτός Leptos , „drobny, mały, chudy” ( nijakiego mianowniku / bierniku liczby pojedynczej postaci: λεπτόν LEPTON ); najwcześniejszą potwierdzoną formą tego słowa jest mykeńska greka 𐀩𐀡𐀵 , re-po-to , napisana pismem sylabicznym linearnym B. Lepton został po raz pierwszy użyty przez fizyka Léona Rosenfelda w 1948 roku:
Zgodnie z sugestią prof. C. Møllera przyjmuję – jako wisiorek do „nukleonu” – określenie „lepton” (od λεπτός, mały, cienki, delikatny) dla oznaczenia cząstki o małej masie.
Etymologia błędnie sugeruje, że wszystkie leptony mają małą masę. Kiedy Rosenfeld nazwał je, jedynymi znanymi leptonami były elektrony i miony, których masy są rzeczywiście małe w porównaniu z nukleonami – masa elektronu (0,511 MeV/ c 2 ) i masa mionu (o wartości105,7 MeV/ c 2 ) to ułamki masy „ciężkiego” protonu (938,3 MeV/ c 2 ). Jednak masa tau (odkryta w połowie lat 70.) (1777 MeV/ c 2 ) jest prawie dwukrotnie większa od protonu i około 3500 razy większa od elektronu.
Historia
Nazwa cząstki | Nazwa antycząstek |
---|---|
Elektron | Antyelektronowy pozyton |
neutrino elektronowe | Elektronowe antyneutrino |
Muon Mu lepton Mu |
Antymuon Antymu lepton Antymu |
Neutrino mionowe Neutrino mionowe Mu neutrino |
Mion antyneutrino Muonic antyneutrino Mu antyneutrino |
Tauon Tau lepton Tau |
Antitauon Antitau lepton Antitau |
neutrino tauonowe neutrino tauonowe neutrino tau |
Taon antyneutrino Tauonic antyneutrino Tau antyneutrino |
Pierwszym zidentyfikowanym leptonem był elektron, odkryty przez JJ Thomsona i jego zespół brytyjskich fizyków w 1897 r. Następnie w 1930 r. Wolfgang Pauli postulował, że neutrino elektronowe zachowuje zachowanie energii , pędu i momentu pędu w rozpadzie beta . Pauli wysunął teorię, że niewykryta cząstka zabiera różnicę między energią , pędem i momentem pędu początkowej i obserwowanej końcowej cząstki. Neutrino elektronowe nazwano po prostu neutrinem, ponieważ nie było jeszcze wiadomo, że neutrina występują w różnych smakach (lub różnych „generacjach”).
Prawie 40 lat po odkryciu elektronu mion został odkryty przez Carla D. Andersona w 1936 roku. Ze względu na swoją masę został początkowo sklasyfikowany jako mezon, a nie lepton. Później okazało się, że mion jest znacznie bardziej podobny do elektronu niż do mezonów, ponieważ miony nie podlegają oddziaływaniu silnemu , a zatem mion został przeklasyfikowany: elektrony, miony i neutrino (elektronowe) zostały pogrupowane w nową grupę cząstek — leptonów. W 1962 roku, Leon M. Lederman , Melvin Schwartz i Jack Steinberger wykazała, że więcej niż jeden rodzaj neutrino istnieje od pierwszych interakcji wykrywanie na mion neutrino, który przyniósł im nagrodę Nobla 1988 , choć wtedy różne smaki neutrino już teoretyzowano.
Tau został po raz pierwszy wykryty w serii eksperymentów w latach 1974 i 1977 przez Martin Perl z kolegami w SLAC grupy LBL . Podobnie jak elektron i mion, również oczekiwano, że będzie miał skojarzone neutrino. Pierwszy dowód na istnienie neutrin tau pochodzi z obserwacji „brakującej” energii i pędu w rozpadzie tau, analogicznie do „brakującej” energii i pędu w rozpadzie beta, co doprowadziło do odkrycia neutrina elektronowego. Pierwsze wykrycie oddziaływań neutrin taonowych zostało ogłoszone w 2000 roku przez zespół DONUT w Fermilab , co czyni ją drugą przed ostatnią cząstką Modelu Standardowego , którą zaobserwowano bezpośrednio, a bozon Higgsa został odkryty w 2012 roku.
Chociaż wszystkie obecne dane są zgodne z trzema generacjami leptonów, niektórzy fizycy cząstek elementarnych poszukują czwartej generacji. Obecny dolny limit masy takiego czwartego naładowanego leptonu wynosi100,8 GeV/ c 2 , podczas gdy związane z nim neutrino miałoby masę co najmniej45,0 GeV/ c 2 .
Nieruchomości
Spin i chiralność
Leptony się kręcą 1/2cząstki. W twierdzenie o związku spinu ze statystyką w ten sposób sugeruje, że są one fermiony i dlatego, że są one przedmiotem Zakaz Pauliego : Nie dwa leptony tego samego gatunku mogą być w tym samym stanie w tym samym czasie. Co więcej, oznacza to, że lepton może mieć tylko dwa możliwe stany spinu, a mianowicie w górę lub w dół.
Ściśle powiązaną właściwością jest chiralność , która z kolei jest ściśle związana z łatwiejszą do wizualizacji właściwością zwaną helicity . Helikatność cząstki jest kierunkiem jej wirowania w stosunku do jej pędu ; cząstki posiadające spin w tym samym kierunku co ich pęd nazywane są prawoskrętnymi i inaczej lewoskrętnymi . Gdy cząstka jest bezmasowa, kierunek jej pędu względem spinu jest taki sam w każdym układzie odniesienia, podczas gdy w przypadku masywnych cząstek możliwe jest „prześcignięcie” cząstki, wybierając szybciej poruszającą się ramkę odniesienia ; w szybszej klatce helicity jest odwrócone. Chiralność jest właściwością techniczną, zdefiniowaną przez zachowanie transformacji w grupie Poincaré , która nie zmienia się wraz z ramą odniesienia. Jest to wymyślone, aby zgadzać się z helicity dla cząstek bezmasowych i nadal jest dobrze zdefiniowane dla cząstek o masie.
W wielu kwantowych teoriach pola , takich jak elektrodynamika kwantowa i chromodynamika kwantowa , lewoskrętne i prawoskrętne fermiony są identyczne. Jednak słabe oddziaływanie Modelu Standardowego traktuje lewoskrętne i prawoskrętne fermiony inaczej: tylko lewoskrętne fermiony (i prawoskrętne antyfermiony) uczestniczą w oddziaływaniu słabym . Jest to przykład naruszenia parzystości wyraźnie wpisany do modelu. W literaturze pola lewoskrętne są często oznaczane przez duże L (np. normalny elektron: e L − ), a prawoskrętne pola są oznaczane przez duże R (np. pozyton e R + ).
Prawoskrętne neutrina i lewoskrętne antyneutrina nie mają możliwości interakcji z innymi cząstkami ( patrz neutrina sterylne ) i dlatego nie są funkcjonalną częścią Modelu Standardowego, chociaż ich wykluczenie nie jest ścisłym wymogiem; czasami są wymieniane w tabelach cząstek, aby podkreślić, że nie odgrywałyby aktywnej roli, gdyby zostały uwzględnione w modelu. Chociaż naładowane elektrycznie prawoskrętne cząstki (elektron, mion lub tau) nie angażują się konkretnie w słabe oddziaływanie, nadal mogą oddziaływać elektrycznie, a zatem nadal uczestniczą w połączonej sile elektrosłabej , chociaż z różnymi siłami ( Y W ).
Oddziaływanie elektromagnetyczne
Jedną z najważniejszych właściwości leptonów jest ich ładunek elektryczny , Q . Ładunek elektryczny określa siłę ich oddziaływań elektromagnetycznych . Określa siłę pola elektrycznego generowanego przez cząstkę (patrz prawo Coulomba ) i jak silnie cząsteczka reaguje na zewnętrzne pole elektryczne lub magnetyczne (patrz siła Lorentza ). Każde pokolenie zawiera jeden lepton z i jeden lepton z zerowym ładunkiem elektrycznym. Lepton z ładunkiem elektrycznym jest potocznie nazywany leptonem naładowanym, podczas gdy lepton neutralny to neutrino . Na przykład pierwsza generacja składa się z elektronu
mi−
z ujemnym ładunkiem elektrycznym i elektrycznie obojętnym neutrinem elektronowym
ν
mi .
W języku kwantowej teorii pola elektromagnetyczne oddziaływanie naładowanych leptonów wyraża się tym, że cząstki oddziałują z kwantem pola elektromagnetycznego, fotonem . Po prawej stronie pokazano diagram Feynmana interakcji elektron-foton.
Ponieważ leptony posiadają własną rotację w postaci spinu, naładowane leptony wytwarzają pole magnetyczne. Wielkość ich magnetycznego momentu dipolowego μ jest podana przez
gdzie m jest masą leptonu, a g jest tak zwanym „ współczynnikiem g ” dla leptonu. Przybliżenie mechaniki kwantowej pierwszego rzędu przewiduje, że współczynnik g wynosi 2 dla wszystkich leptonów. Jednak efekty kwantowe wyższego rzędu wywołane pętlami na diagramach Feynmana wprowadzają poprawki do tej wartości. Poprawki te, zwane anomalnym magnetycznym momentem dipolowym , są bardzo wrażliwe na szczegóły modelu kwantowej teorii pola, a tym samym dają możliwość przeprowadzenia precyzyjnych testów modelu standardowego. Teoretyczne i zmierzone wartości elektronowego anomalnego magnetycznego momentu dipolowego są zgodne w zakresie ośmiu cyfr znaczących. Wyniki dla mionu są jednak problematyczne , co wskazuje na małą, trwałą rozbieżność między Modelem Standardowym a eksperymentem.
Słaba interakcja
|
W Modelu Standardowym lewoskrętny naładowany lepton i lewoskrętne neutrino są ułożone w dublet (ν e L , e −
L), który przekształca się wreprezentacji spinorowej ( T = 1 ⁄ 2 ) słabej symetrii cechowania izospinowego SU(2) . Oznacza to, że cząstki te są stanami własnymi rzutu izospinowego T 3 o wartościach własnych ++1 / 2 i -+1 / 2 , odpowiednio. W międzyczasie prawoskrętny naładowany lepton przekształca się jako słaby skalar izospinowy ( T = 0) i tym samym nie uczestniczy w oddziaływaniu słabym , podczas gdy nie ma dowodów na to, że prawoskrętne neutrino w ogóle istnieje.
Mechanizm Higgs rekombinacji pola wzorcowych słabego izospinowych su (2) i słabej hiperładunek U (1) symetrie do trzech masywnych Bozony wektor (
W+
,
W−
,
Z0
) pośredniczący w oddziaływaniu słabym oraz jeden bezmasowy bozon wektorowy, foton, odpowiedzialny za oddziaływanie elektromagnetyczne. Ładunek elektryczny Q można obliczyć z rzutu izospinowego T 3 i słabego hiperładunku Y W za pomocą wzoru Gell-Manna-Nishijimy ,
- Q = T 3 + 1 ⁄ 2 Y W
Aby odzyskać obserwowane ładunki elektryczne dla wszystkich cząstek, lewoskrętny słaby dublet izospinowy ( ν e L , e −
L) musi więc mieć Y W = -1, podczas gdy prawoskrętny skalar izospinowy e−
Rmusi mieć Y W = −2. Oddziaływanie leptonów z masowymi bozonami wektora oddziaływań słabych pokazano na rysunku po prawej stronie.
Masa
W Modelu Standardowym każdy lepton zaczyna się bez masy własnej. Naładowane leptony (tj. elektron, mion i tau) uzyskują masę efektywną poprzez oddziaływanie z polem Higgsa , ale neutrina pozostają bezmasowe. Ze względów technicznych bezmasowość neutrin sugeruje, że nie ma mieszania różnych generacji naładowanych leptonów, jak w przypadku kwarków . Zerowa masa neutrina jest ściśle zgodna z aktualnymi bezpośrednimi obserwacjami doświadczalnymi masy.
Wiadomo jednak z eksperymentów pośrednich — przede wszystkim z obserwowanych oscylacji neutrin — że neutrina muszą mieć masę niezerową, prawdopodobnie mniejszą niż2 eV/ c 2 . Oznacza to istnienie fizyki poza Modelem Standardowym . Obecnie najbardziej preferowanym rozszerzeniem jest tak zwany mechanizm huśtawki , który wyjaśniałby zarówno, dlaczego neutrina lewoskrętne są tak lekkie w porównaniu z odpowiadającymi im naładowanymi leptonami, jak i dlaczego nie widzieliśmy jeszcze neutrin prawoskrętnych.
Liczby kwantowe smaku Lepton
Członkom słabego dubletu izospinowego każdego pokolenia przypisuje się liczby leptoniczne, które są zachowane w Modelu Standardowym. Elektrony i neutriny elektronowej mają numer elektronicznego z L e = 1 , a miony i mionowy neutriny posiada szereg muonic z L μ = 1 , a cząstki tau i neutriny tau posiada szereg tauonic z L τ = 1 . Antyleptony mają liczby leptonowe odpowiadające pokoleniom równe -1 .
Zachowanie liczb leptonicznych oznacza, że liczba leptonów tego samego typu pozostaje taka sama, gdy cząstki oddziałują. Oznacza to, że leptony i antyleptony muszą powstawać w parach jednego pokolenia. Na przykład przy zachowaniu liczb leptonicznych dozwolone są następujące procesy:
ale nie te:
Wiadomo jednak, że oscylacje neutrin naruszają zasady zachowania poszczególnych liczb leptonicznych. Takie naruszenie jest uważane za palenie dowodów na istnienie broni poza Modelem Standardowym . Znacznie silniejszy Prawo ochrony jest zachowanie całkowitej liczby leptonów ( L z żadnym indeksem ), zachowanych nawet w przypadku oscylacji neutrin, ale nawet to jest nadal naruszane przez niewielką ilość przez chiralnych anomalii .
Uniwersalność
Sprzężenie leptonów ze wszystkimi rodzajami bozonów cechowania jest niezależne od smaku: interakcja między leptonami a bozonem cechowania jest taka sama dla każdego leptonu. Ta właściwość nazywana jest uniwersalnością leptonową i została przetestowana w pomiarach czasów życia mionów i tau oraz
Z
szerokości częściowego rozpadu bozonu , szczególnie w eksperymentach Stanford Linear Collider (SLC) i Large Electron-Positron Collider (LEP).
Szybkość rozpadu ( ) mionów w procesie
μ−
→
mi−
+
ν
mi +
ν
μ jest w przybliżeniu podana przez wyrażenie postaci (zobacz rozpad mionów po więcej szczegółów)
gdzie K 2 pewne stałe i G K jest stałą sprzężenia Fermiego . Szybkość rozpadu cząstek tau w procesie
τ−
→
mi−
+
ν
mi +
ν
τ jest podane przez wyrażenie o tej samej formie
gdzie K 3 jest inną stałą. Z uniwersalności mionowo-taunowej wynika, że K 2 ≈ K 3 . Z drugiej strony uniwersalność elektronowo-mionowa implikuje:
To wyjaśnia, dlaczego proporcje rozgałęzień dla modu elektronicznego (17,82%) i mionowego (17,39%) zaniku tau są równe (w granicach błędu).
Uniwersalność odpowiada również za stosunek czasów życia mionów i tau. Czas życia leptonu (z = " μ " lub " τ ") jest związany z szybkością rozpadu przez
- ,
gdzie oznacza stosunki rozgałęzień i oznacza szerokość rezonansową procesu z x i y zastąpionymi przez dwie różne cząstki z „ e ” lub „ μ ” lub „ τ ”.
Stosunek czasu życia tau i mionu jest zatem określony wzorem
Stosując wartości z Review of Particle Physics z 2008 r. dla stosunków rozgałęzień mionu i tau, otrzymujemy stosunek czasu życia ~1,29 × 10 -7 , porównywalny ze zmierzonym współczynnikiem żywotności ~1,32 x 10 -7 . Różnica wynika z tego, że K 2 i K 3 nie są w rzeczywistości stałymi: zależą one nieznacznie od masy zaangażowanych leptonów.
Ostatnie testy uniwersalności leptonu w
b
rozpady mezonów , przeprowadzone w eksperymentach LHCb , BaBar i Belle , wykazały spójne odchylenia od przewidywań Modelu Standardowego. Jednak połączona istotność statystyczna i systematyczna nie jest jeszcze wystarczająco wysoka, aby można było stwierdzić obserwację nowej fizyki .
W lipcu 2021 roku opublikowano wyniki dotyczące uniwersalności leptonu testujące rozpady W, poprzednie pomiary LEP dały lekką nierównowagę, ale nowe pomiary wykonane przez współpracę ATLAS mają dwukrotnie większą precyzję i dają stosunek, który jest zgodny z przewidywaniami modelu standardowego jedność
Tabela leptonów
Właściwości leptonów Zakręć
J
Nazwa cząstki lub antycząstkiSymbol Opłata
Q ( e )Numer smaku Lepton Masa
( MeV /c 2 )Żywotność
( sekundy )L e L μ L τ 1 /2 Elektron
mi−
-1 +1 0 0 0,510998910
(±13)Stabilny Pozytron
mi+
+1 -1 Mion
μ−
-1 0 +1 0 105.6583668
(±38)2,197019×10 -6
(±21)Antymion
μ+
+1 -1 Tau
τ−
-1 0 0 +1 1776,84
(±.17)2,906× 10-13
(±0,010)Antitau
τ+
+1 -1 neutrino elektronowe
ν
mi0 +1 0 0 <0.0000022 Nieznany Elektronowe antyneutrino
ν
mi-1 neutrino mionowe
ν
μ0 0 +1 0 < 0,17 Nieznany Antyneutrino mionowe
ν
μ-1 Neutrino tau
ν
τ0 0 0 +1 < 15,5 Nieznany Antyneutrino tau
ν
τ-1
Zobacz też
- Formuła Koide
- Lista cząstek
- Preony — hipotetyczne cząstki, które niegdyś uważano za podskładniki kwarków i leptonów
Uwagi
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- "Strona główna grupy danych cząstek" . – PDG kompiluje wiarygodne informacje na temat właściwości cząstek.
- „Leptony” . Fizyka i astronomia. Georgia State University. Hiperfizyka . – zestawienie leptonów.