Лептон - Lepton

Поколения материи
Категории фермионов Генерация элементарных частиц
Тип Подтип Первый Второй В третьих
Кварки
( цветные )
пухлый вниз странный Нижний
приподнятый вверх очарование Топ
Лептоны ( бесцветные
)
заряжен электрон мюон тауон
нейтральный электронное нейтрино мюонное нейтрино тау-нейтрино
Лептон
Beta Negative Decay.svg
Лептоны участвуют в нескольких процессах, таких как бета-распад .
Состав Элементарная частица
Статистика Фермионный
Поколение 1-й, 2-й, 3-й
Взаимодействия Электромагнетизм , Гравитация , Слабый
Условное обозначение

Античастица Антилептон (

)
Типы 6 ( электрон , электронное нейтрино , мюон , мюонное нейтрино , тау , тау-нейтрино )
Электрический заряд +1 е , 0 е , −1 е
Цвет заряда Нет
Вращаться 12

В физике элементарных частиц , А лептон является элементарной частицей из полуцелым спином ( спин 1 / 2 ) , что не претерпевает сильные взаимодействия . 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 составные частицы, такие как атомы и позитроний , в то время как нейтрино редко с чем-либо взаимодействуют и, следовательно, редко наблюдаются. Самый известный из лептонов - электрон .

Есть шесть типов лептонов, известных как ароматизаторы , сгруппированных в три поколения . В первом поколении лептонов, называемые также электронные лептонов , включают электрон (
е-
) и электронное нейтрино (
ν
е
); вторые - мюонные лептоны , в состав которых входит мюон (
μ-
) и мюонное нейтрино (
ν
μ
); и третий - тауонные лептоны , составляющие 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 частицы : переход от состояния с большей массой к состоянию с меньшей массой. Таким образом, электроны являются стабильными и наиболее часто встречающимися заряженными лептонами во Вселенной , в то время как мюоны и тау могут образовываться только в столкновениях с высокими энергиями (например, с участием космических лучей и 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 , последний из которых пропорционален заряду и, таким образом, равен нулю для электрически нейтральные нейтрино.

Для каждого лептонного аромата 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 теоретически выдвинут в середине 19 века несколькими учеными и был открыт в 1897 году Дж . Дж. Томсоном . Следующим наблюдаемым лептоном был мюон , открытый Карлом Д. Андерсоном в 1936 году, который в то время был классифицирован как мезон . После исследования выяснилось, что мюон не обладает ожидаемыми свойствами мезона, а скорее ведет себя как электрон, только с большей массой. Только в 1947 году была предложена концепция «лептонов» как семейства частиц. Первое нейтрино, электронное нейтрино, было предложено Вольфгангом Паули в 1930 году для объяснения некоторых характеристик бета-распада . Впервые он был обнаружен в нейтринном эксперименте Коуэна-Райнеса, проведенном Клайдом Коуэном и Фредериком Райнсом в 1956 году. Мюонное нейтрино было открыто в 1962 году Леоном М. Ледерманом , Мелвином Шварцем и Джеком Стейнбергером , а тау-тау было открыто между 1974 и 1977 годами. Мартин Льюис Перл и его коллеги из Стэнфордского центра линейных ускорителей и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли . Тау нейтрино оставался неуловимым до июля 2000 года, когда сотрудничество DONUT из Fermilab объявил о своем открытии.

Лептоны - важная часть Стандартной модели . Электроны являются одним из компонентов атомов , наряду с протонами и нейтронами . Также могут быть синтезированы экзотические атомы с мюонами и тау вместо электронов, а также лептонно-антилептонные частицы, такие как позитроний .

Этимология

Название лептон происходит от греческого λεπτός leptós , «тонкий, маленький, тонкий» ( форма среднего именительного падежа / винительного падежа единственного числа: λεπτόν leptón ); Самая ранняя засвидетельствованная форма слова - микенское греческое 𐀩𐀡𐀵 , re-po-to , написанное слоговым письмом Linear B. Лептон был впервые использован физиком Леоном Розенфельдом в 1948 году:

Следуя предложению профессора К. Мёллера , я принимаю - в качестве связки с «нуклоном» - обозначение «лептон» (от λεπτός, маленький, тонкий, тонкий) для обозначения частицы малой массы.

Этимология неверно подразумевает, что все лептоны имеют небольшую массу. Когда Розенфельд назвал их, единственными известными лептонами были электроны и мюоны, массы которых действительно малы по сравнению с нуклонами - масса электрона (0,511  МэВ / c 2 ) и массы мюона (со значением105,7 МэВ / c 2 ) - доли массы «тяжелого» протона (938,3 МэВ / c 2 ). Однако масса тау (открытого в середине 1970-х гг.) (1777 МэВ / c 2 ) почти вдвое больше, чем у протона, и примерно в 3500 раз больше, чем у электрона.

История

Мюон превращается в мюонное нейтрино , испуская
W-
бозон
. В
W-
затем бозон распадается на электрон и электронное антинейтрино .
Номенклатура лептонов
Имя частицы Имя античастицы
Электрон Антиэлектронный
Позитрон
Электронное нейтрино Электронный антинейтрино
Мюон
Мю лептон
Мю
Антимуон
Антиму лептон
Антиму
Мюонных нейтрино
мюонного нейтрино
Му нейтрино
Мюонных антинейтрино
мюонных антинейтрино
Му антинейтрино
Тауон
Тау лептон
Тау
Antitauon
Antitau лептон
Antitau
Тауонное нейтрино Тауонное нейтрино
Тауонное
нейтрино
Тауон-антинейтрино
Тауонный антинейтрино
Тау-антинейтрино

Первым идентифицированным лептоном был электрон, открытый Дж. Дж. Томсоном и его группой британских физиков в 1897 году. Затем, в 1930 году, Вольфганг Паули постулировал электронное нейтрино для сохранения энергии , импульса и углового момента при бета-распаде . Паули предположил, что необнаруженная частица уносит разницу между энергией , импульсом и угловым моментом начальной и наблюдаемой конечной частиц. Электронное нейтрино называлось просто нейтрино, поскольку еще не было известно, что нейтрино бывают разных ароматов (или разных «поколений»).

Спустя почти 40 лет после открытия электрона мюон был открыт Карлом Д. Андерсоном в 1936 году. Из-за своей массы он был первоначально отнесен к категории мезонов, а не лептонов. Позже выяснилось, что мюон гораздо больше похож на электрон, чем на мезоны, поскольку мюоны не подвергаются сильному взаимодействию , и, таким образом, мюон был переклассифицирован: электроны, мюоны и (электронное) нейтрино были сгруппированы в новую группу. частиц - лептоны. В 1962 году Леон М. Ледерман , Мелвин Шварц и Джек Штайнбергер показали, что существует более одного типа нейтрино, впервые обнаружив взаимодействия мюонного нейтрино, что принесло им Нобелевскую премию 1988 года , хотя к тому времени различные типы нейтрино уже имели были теоретически.

Впервые тау-белок был обнаружен в серии экспериментов между 1974 и 1977 годами Мартином Льюисом Перлом и его коллегами из группы SLAC LBL . Ожидается, что он, как электрон и мюон, также будет иметь связанное нейтрино. Первое свидетельство существования тау-нейтрино пришло из наблюдения «недостающей» энергии и импульса при распаде тау, аналогично «недостающей» энергии и импульсу в бета-распаде, что привело к открытию электронного нейтрино. Первое обнаружение взаимодействий тау-нейтрино было объявлено в 2000 году коллаборацией DONUT в Фермилабе , что сделало его второй по времени частицей Стандартной модели, которая наблюдалась напрямую, а бозон Хиггса был открыт 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 / c 2 , тогда как связанное с ним нейтрино будет иметь массу не менее45,0  ГэВ / c 2 .

Характеристики

Спин и хиральность

Левая и правая спиральности

Лептоны являются спин 1/2частицы. Таким образом, теорема спиновой статистики подразумевает, что они являются фермионами и, таким образом, подчиняются принципу исключения Паули : никакие два лептона одного и того же вида не могут находиться в одном и том же состоянии в одно и то же время. Кроме того, это означает, что лептон может иметь только два возможных спиновых состояния, а именно верхнее или нижнее.

Тесно связанным свойством является хиральность , которая, в свою очередь, тесно связана с более легко визуализируемым свойством, называемым спиральностью . Спиральность частицы - это направление ее спина относительно ее импульса ; частицы со спином в том же направлении, что и их импульс, называются правыми, а иначе - левыми . Когда частица безмассовая, 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 через поведение преобразования в группе Пуанкаре , которое не изменяется в зависимости от системы отсчета. Это сделано для согласования со спиральностью для безмассовых частиц и все еще хорошо определено для частиц с массой.

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

Правые нейтрино и левосторонние антинейтрино не могут взаимодействовать с другими частицами ( см. Стерильные нейтрино ) и поэтому не являются функциональной частью Стандартной модели, хотя их исключение не является строгим требованием; они иногда указываются в таблицах частиц, чтобы подчеркнуть, что они не будут играть активной роли, если будут включены в модель. Даже если электрически заряженные правые частицы (электрон, мюон или тау) не участвуют конкретно в слабом взаимодействии, они все же могут взаимодействовать электрически и, следовательно, по-прежнему участвовать в комбинированной электрослабой силе , хотя и с разной силой ( Y W ).

Электромагнитное взаимодействие

Лептон-фотонное взаимодействие

Одним из наиболее известных свойств лептонов их электрический заряд , Q . Электрический заряд определяет силу их электромагнитного взаимодействия . Он 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 и один лептон с нулевым электрическим зарядом. Лептон с электрическим зарядом обычно называют заряженным лептоном, а нейтральный лептон - нейтрино . Например, первое поколение состоит из электронного
е-
с отрицательным электрическим зарядом и электрически нейтральным электронным нейтрино
ν
е
.

На языке квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие заряженных лептонов выражается тем фактом, что частицы взаимодействуют с квантом электромагнитного поля, фотоном . Диаграмма Фейнмана взаимодействия электронно-фотонной показано справа.

Поскольку лептоны обладают внутренним вращением в форме их спина, заряженные лептоны создают магнитное поле. Величина их магнитного дипольного момента μ определяется выражением

где т есть масса лептонов и г является так называемым « г  фактором» для лептонов. Квантово-механическое приближение первого порядка предсказывает, что g-  фактор равен 2 для всех лептонов. Однако квантовые эффекты более высокого порядка, вызванные петлями на 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 для прецизионных испытаний стандартной модели. Теоретические и измеренные значения для электрона магнитного дипольного момента аномальных находятся в согласии в течение восьми значащих цифр. Однако результаты для мюона проблематичны , поскольку указывают на небольшое стойкое несоответствие между Стандартной моделью и экспериментом.

Слабое взаимодействие

Лептон-взаимодействие-вершина-evW.svg Лептон-взаимодействие-вершина-pvW.svg Лептон-взаимодействие-вершина-eeZ.svg
В слабых взаимодействиях первого поколения лептонов.

В Стандартной модели левозарядный лептон и левое нейтрино объединены в дублет e L , e -
L
),
которое преобразуется в спинорное представление ( T  =  12 ) слабой изоспиновой SU (2) калибровочной симметрии. Это означает, что эти частицы являются собственными состояниями проекции изоспина T 3 с собственными значениями ++12 и -+12 соответственно. Между тем, правозарядный лептон преобразуется как слабый изоспиновый скаляр ( 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 слабой изоспиновой SU (2) и слабой гиперзарядовой U (1) симметрии в три массивных векторных бозона (
W+
,
W-
,
Z0
), обеспечивающий слабое взаимодействие , и один безмассовый векторный бозон, фотон, ответственный за электромагнитное взаимодействие. Электрический заряд Q может быть вычислен из проекции изоспина T 3 и слабого гиперзаряда Y W по формуле Гелл-Манна-Нишиджимы :

Q = T 3 + 12 Y W 

Чтобы восстановить наблюдаемые электрические заряды для всех частиц, левый слабый изоспиновый дублет e L , e -
L
)
должно, таким образом, иметь Y W  = −1, в то время как правый изоспиновый скаляр e-
R
должно иметь Y W  = −2. Взаимодействие лептонов с массивными векторными бозонами слабого взаимодействия показано на рисунке справа.

Масса

В Стандартной модели каждый лептон начинается без 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 подразумевает отсутствие смешения различных поколений заряженных лептонов, как в случае кварков . Нулевая масса нейтрино находится в хорошем согласии с текущими прямыми экспериментальными наблюдениями массы.

Однако из косвенных экспериментов - в первую очередь из наблюдаемых осцилляций нейтрино - известно, что нейтрино должны иметь ненулевую массу, вероятно, меньшую, чемэВ / c 2 . Это подразумевает существование физики за пределами Стандартной модели . В настоящее время наиболее популярным расширением является так называемый механизм качелей , который объясняет, почему левые нейтрино такие легкие по сравнению с соответствующими заряженными лептонами, и почему мы еще не видели правых нейтрино.

Квантовые числа лептонного аромата

Членам слабого изоспинового дублета каждого поколения присваиваются лептонные числа , которые сохраняются в соответствии со Стандартной моделью. Электроны и электронные нейтрино имеют электронное число из L е  = 1 , в то время как мюоны и мюонные нейтрино имеют мюонное число из L μ  = 1 , в то время как частицы тау и тау - нейтрино имеют tauonic числа из L τ  = 1 . У антилептонов лептонное число соответствующего поколения равно -1 .

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

Каждое поколение образует слабый изоспиновый дублет .

е-
+
е+

γ
,

τ-
+
τ+

Z0
,

но не эти:


γ

е-
+
μ+
,

W-

е-
+
ν
τ
,

Z0

μ-
+
τ+
.

Однако известно, что осцилляции нейтрино нарушают сохранение отдельных лептонных чисел. Такое нарушение считается доказательством того, что физика выходит за рамки Стандартной модели . Гораздо сильнее закон сохранения является сохранение общего числа лептонов ( L с не подстрочный ), сохраняющихся даже в том случае , осцилляции нейтрино, но даже до сих пор нарушено ничтожное количество по аксиальной аномалии .

Универсальность

Связь лептонов со всеми типами калибровочных бозонов не зависит от аромата: взаимодействие между лептонами и калибровочным бозоном измеряется одинаково для каждого лептона. Это свойство называется лептонной универсальности и был протестирован в измерениях мюонных и тау жизни и в
Z
парциальные ширины распада бозонов , особенно в экспериментах на Стэнфордском линейном коллайдере (SLC) и большом электрон-позитронном коллайдере (LEP).

Скорость распада ( ) мюонов в процессе 
μ-

е-
+
ν
е
+
ν
μ
 
приблизительно дается выражением вида (подробнее см. распад мюона )

где K 2 - некоторая константа, а G F - константа связи Ферми . Скорость распада тау-частиц в процессе 
τ-

е-
+
ν
е
+
ν
τ
 
дается выражением той же формы

где K 3 - некоторая другая постоянная. Из мюонно-тауонной универсальности следует, что K 2K 3 . С другой стороны, электронно-мюонная универсальность подразумевает

Это объясняет, почему коэффициенты ветвления для электронной моды (17,82%) и мюонной (17,39%) моды распада тау равны (в пределах ошибки).

Универсальность также объясняет соотношение времен жизни мюонов и тау. Время жизни лептона (с = " μ " или " τ ") связано со скоростью распада соотношением

,

где обозначает коэффициенты ветвления и обозначает ширину резонанса процесса с заменой x и y двумя разными частицами из « e », « μ » или « τ ».

Таким образом, отношение времени жизни тау и мюона определяется выражением

Использование значений из обзора физики элементарных частиц 2008 г. для коэффициентов ветвления мюона и тау дает отношение времени жизни ~1,29 × 10 −7 , что сравнимо с измеренным сроком службы ~1,32 × 10 −7 . Разница связана с тем, что K 2 и K 3 на самом деле не являются константами: они немного зависят от массы участвующих лептонов.

Недавние испытания универсальности лептонов в
B
распады мезонов , выполненные в экспериментах LHCb , BaBar и Belle , показали последовательные отклонения от предсказаний Стандартной модели. Однако совокупная статистическая и систематическая значимость еще недостаточно высока, чтобы утверждать, что это наблюдение новой физики .

В июле 2021 года были опубликованы результаты об универсальности лептонов, в которых тестировались распады W, предыдущие измерения LEP дали небольшой дисбаланс, но новое измерение, проведенное коллаборацией ATLAS, имеет вдвое большую точность и дает соотношение, которое согласуется с предсказанием стандартной модели. единство

Таблица лептонов

Свойства лептонов
Спин
J

Название частицы или античастицы
Условное обозначение Заряд
Q
( e )
Лептонный ароматический номер Масса
( МэВ / c 2 )
Срок службы
( секунды )
L e L μ L τ
 1 /2 Электрон
е-
−1 +1 0 0 0,510998910 
(± 13)
Стабильный
Позитрон
е+
+1 −1
Мюон
μ-
−1 0 +1 0 105,6583668 
(± 38)
2,197019 × 10 −6
(± 21)        
Антимюон
μ+
+1 −1
Тау
τ-
−1 0 0 +1 1776,84 
(± 0,17)
2,906 × 10 -13
(± 0,010)         
Антитау
τ+
+1 −1
Электронное нейтрино
ν
е
0 +1 0 0 <0,0000022 Неизвестный
Электронный антинейтрино
ν
е
−1
Мюонное нейтрино
ν
μ
0 0 +1 0 <0,17 Неизвестный
Мюонный антинейтрино
ν
μ
−1
Тау нейтрино
ν
τ
0 0 0 +1 <15,5 Неизвестный
Тау-антинейтрино
ν
τ
−1

Смотрите также

Примечания

использованная литература

внешние ссылки