Лептон

Лептон

Лептоны участвуют в нескольких процессах, таких как бета-распад .
Сочинение	Элементарная частица
Статистика	Фермионный
Поколение	1-й, 2-й, 3-й
Взаимодействия	Электромагнетизм , Гравитация , Слабый
Символ	ℓ
Античастица	Антилептон ( ℓ )
Типы	6 ( электрон , электронное нейтрино , мюон , мюонное нейтрино , тау , тау нейтрино )
Электрический заряд	+1 е , 0 е , −1 е
Цвет заряда	Нет
Вращение	1 / 2

В физике элементарных частиц , А лептон является элементарной частицей из полуцелым спином ( спин ¹ / ₂ ) , что не претерпевает сильные взаимодействия . ^[1] Существуют два основных класса лептонов: заряженные лептоны (также известные как электроноподобные лептоны) и нейтральные лептоны (более известные как нейтрино ). Заряженные лептоны могут объединяться с другими частицами с образованием различных составных частиц, таких как атомы и позитроний., в то время как нейтрино редко с чем-либо взаимодействуют и, следовательно, редко наблюдаются. Самый известный из всех лептонов - электрон .

Есть шесть типов лептонов, известных как ароматизаторы , сгруппированных в три поколения . ^[2] первое поколение лептонов, называемые также электронные лептоны , включают электрон (
е^-
) и электронное нейтрино (
ν
_е); вторые - мюонные лептоны , составляющие 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, при столкновениях с космическими лучами 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 предложен в середине 19 века несколькими учеными ^{[3] [4] [5]} и был открыт в 1897 году Дж . Дж. Томсоном . ^[6] Следующим наблюдаемым лептоном был мюон , открытый Карлом Д. Андерсоном в 1936 году, который в то время был классифицирован как мезон . ^[7] После исследования выяснилось, что мюон не обладал ожидаемыми свойствами мезона, а скорее вел себя как электрон, только с большей массой. Только в 1947 году была предложена концепция «лептонов» как семейства частиц. ^[8] Первое нейтрино, электронное нейтрино, было предложеноВольфганг Паули в 1930 году, чтобы объяснить некоторые характеристики бета-распада . ^[8] Он был впервые обнаружен в Cowan-Райнеса нейтрино эксперимент , проведенный Clyde Cowan и Райнес в 1956 году ^{[8] [9]} мюонному был обнаружен в 1962 году Leon M. Ледермана , Melvin Шварц , и Джек Steinberger , ^[10] и тау, обнаруженный между 1974 и 1977 Мартином Льюисом Перлом и его коллегами из Стэнфордского центра линейных ускорителей и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли .^[11] тау нейтрино оставался неуловимым до июля 2000 года, когда сотрудничество DONUT из Fermilab объявилсвоем открытии. ^{[12] [13]}

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 [ править ]

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

Следуя предложению профессора К. Мёллера , я принимаю в качестве связки с «нуклоном» название «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 ) ^[18] и масса мюона (со значением105,7 МэВ / c ² ) ^[19] - доли массы «тяжелого» протона (938,3 МэВ / c ² ). ^[20] Однако масса тау (обнаруженного в середине 1970-х) (1777 МэВ / c ² ) ^[21] почти вдвое больше, чем у протона, и примерно в 3500 раз больше, чем у электрона.

История [ править ]

Первым идентифицированным лептоном был электрон, открытый Дж. Дж. Томсоном и его группой британских физиков в 1897 году. ^{[22] [23]} Затем, в 1930 году, Вольфганг Паули постулировал электронное нейтрино, чтобы сохранить сохранение энергии , импульс и сохранение энергии. угловой момент в бета-распаде . ^[24] Паули предположил, что необнаруженная частица уносит разницу между энергией , импульсом и угловым моментом.исходных и наблюдаемых конечных 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. ^[25] Позже выяснилось, что мюон гораздо больше похож на электрон, чем на мезоны, поскольку мюоны не подвергаются сильному взаимодействию , и поэтому мюон был переклассифицирован: 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 мюона.нейтрино, за что им была присуждена Нобелевская премия 1988 года , хотя к тому времени уже предполагались различные разновидности нейтрино. ^[26]

Впервые тау-белок был обнаружен в серии экспериментов между 1974 и 1977 годами Мартином Льюисом Перлом и его коллегами из группы SLAC LBL . ^[27] Как и электрон и мюон, ожидалось, что он будет иметь связанное нейтрино. Первое свидетельство существования тау-нейтрино было получено из наблюдения «недостающей» энергии и импульса при распаде тау, аналогично «недостающей» энергии и импульсу при 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.были под непосредственным наблюдением, ^[28] с Хиггса быть обнаруженным 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 , ^{[29] в} то время как связанное с ним нейтрино будет иметь массу не менее45,0  ГэВ / c 2 . ^[30]

Свойства [ править ]

Спин и хиральность [ править ]

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 одновременно. 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 количества движения ; 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, в то время 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 с системой 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: только левые фермионы (и правые антифермионы) участвуют в слабом взаимодействии . Это пример нарушения четности, явно записанный в модели. В литературе левые поля часто обозначаются заглавной буквой L (например, нормальный электрон: e _L ^- ), а правые поля обозначаются заглавной Rнижний индекс (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. Несмотря на то, электрически заряженные правые частицы (электрон, мюон, или тау) не участвуют в слабом взаимодействии конкретно, они все равно могут взаимодействовать электрически, и , следовательно , по- прежнему участвовать в комбинированной электро-слабой силы , хотя и с различной силой ( Y W ).

Электромагнитное взаимодействие [ править ]

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 насколько сильно частица реагирует на внешнее электрическое или магнитное поле (см. Силу Лоренца ). Каждое поколение содержит один лептон с Q  = - e (условно заряд частицы выражается в единицах элементарного заряда) и один лептон с нулевым электрическим зарядом. Лептон с электрическим зарядом обычно называют просто «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

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

где m - масса лептона, а g - так называемый g-фактор лептона. Квантовая механика 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 аномального магнитного дипольного момента электрона находятся в пределах восьми значащих цифр. ^[31]

Слабое взаимодействие [ править ]

В Стандартной модели левозарядный лептон и левое нейтрино объединены в дублет (
ν
_еL ,
е^-
_Л ) , что преобразования в спинорном представлении ( Т  = ¹ / ₂ ) от слабого изоспина SU (2) калибровочной симметрии. Это означаетчто эти частицы являются собственными изоспиновой проекцией Т ₃ с собственными значениями ¹ / ₂ и - ¹ / ₂ соответственно. Между тем, правозаряженный 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 = Т ₃ + ¹ / ₂ Y _Вт 

Чтобы восстановить наблюдаемые электрические заряды для всех частиц, левый слабый изоспиновый дублет (
ν
_еL ,
е^-
_L ) должно, таким образом, иметь Y _W  = −1, в то время как правый изоспиновый скаляр e^-
_Rдолжно быть Y _W  = −2. Взаимодействие лептонов с массивными векторными бозонами слабого взаимодействия показано на рисунке справа.

Масса [ править ]

В Стандартной модели каждый лептон начинается без собственной массы. Заряженные лептоны (то есть электрон, мюон и тау) получают эффективную массу за счет взаимодействия с полем Хиггса , но нейтрино остаются безмассовыми. По техническим причинам безмассовость нейтрино подразумевает, что не происходит смешения разных поколений заряженных лептонов, как в случае кварков . Это хорошо согласуется с текущими экспериментальными наблюдениями. ^[32]

Однако из экспериментов - в первую очередь из наблюдаемых осцилляций нейтрино ^{[33] известно,} что нейтрино действительно имеют некоторую очень маленькую массу, вероятно, меньше2  эВ / c 2 . ^[34] 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.

Лептонные числа [ править ]

Членам слабого изоспинового дублета каждого поколения присваиваются лептонные числа , которые сохраняются согласно Стандартной модели. ^[35] 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 _Т  = 1. Антилептонов имеют лептонное число соответствующего поколения -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:

е- + е+ → γ + γ,

τ- + τ+ → Z0 + Z0,

но не эти:

γ → е- + μ+,

W- → е- + ντ,

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 более строгий закон сохранения - это сохранение общего числа лептонов ( L ), которое сохраняется даже в случае осцилляций нейтрино, но даже он все еще в незначительной степени нарушается киральной аномалией .

Универсальность [ править ]

Связь лептонов со всеми типами калибровочных бозонов не зависит от аромата: взаимодействие между лептонами и калибровочным бозоном измеряется одинаково для каждого лептона. ^[35] Это свойство называется лептонной универсальностью и было протестировано в измерениях тау и мюоны жизни и Z бозонов частичных шириных распадов , в частности на Стэнфордский линейном коллайдере (SLC) и больших электронно-позитронный коллайдер (LEP) эксперименты. ^{[36] ( стр. 241–243 ) [37] ( стр. 138 )}

Скорость распада ( ) мюонов в процессе${\ displaystyle \ Gamma}$μ- → е- + νе + νμприблизительно дается выражением вида (подробнее см. распад мюона ) ^[35]

${\ displaystyle \ Gamma \ left (\ mu ^ {-} \ rightarrow e ^ {-} + {\ bar {\ nu _ {e}}} + \ nu _ {\ mu} \ right) \ приблизительно K_ {1 } G _ {\ text {F}} ^ {2} m _ {\ mu} ^ {5},}$

где K ₁ - некоторая константа, а G _F - константа связи Ферми . Скорость распада тау-частиц в процессеτ- → е- + νе + ντдается выражением того же вида ^[35]

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

где K ₂ - некоторая постоянная. Из мюонно-тауонной универсальности следует, что K ₁  ≈  K ₂ . С другой стороны, электронно-мюонная универсальность предполагает ^[35]

${\displaystyle \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)=\Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow \mu ^{-}+{\bar {\nu _{\mu }}}+\nu _{\tau }\right).}$

Это объясняет, почему коэффициенты ветвления для электронной моды (17,82%) и мюонной (17,39%) моды распада тау равны (в пределах ошибки). ^[21]

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

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

где B ( x  →  y ) и Γ ( x  →  y ) обозначают коэффициенты ветвления и ширину резонанса процесса x  →  y .

Таким образом, отношение времени жизни тау и мюона определяется выражением ^[35]

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

Использование значений для коэффициентов ветвления мюонов ^[19] и тау ^[21] из обзора физики элементарных частиц 2008 г. дает отношение времени жизни ~1,29 × 10 ⁻⁷ , что сравнимо с измеренным сроком службы ~1,32 × 10 ⁻⁷ . Разница в том, что K ₁ и K _{2 на} самом деле не являются постоянными: они зависят от массы лептонов.

Недавние испытания универсальности лептонов в распадах B-мезонов , проведенные 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 . ^[38]

Таблица лептонов [ править ]

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме лептонов .

Найдите лептон в Викисловаре, бесплатном словаре.

• "Домашняя страница группы данных о частицах" . - PDG собирает достоверную информацию о свойствах частиц.
• «Лептоны» . Физика и астрономия. Государственный университет Джорджии. Гиперфизика . - сводка лептонов.