Lepton - Lepton

Generasjoner av materie
Fermion kategorier Elementærpartikkel generasjon
Type Undertype Først Sekund Tredje
Quarks
( farget )
ned-type ned rar bunn
opp-type opp sjarm topp
Leptoner ( fargefrie
)
ladet elektron muon tauon
nøytral elektron nøytrino muon nøytrino tau nøytrino
Lepton
Beta Negative Decay.svg
Leptoner er involvert i flere prosesser, for eksempel beta -forfall .
Sammensetning Elementær partikkel
Statistikk Fermionisk
Generasjon 1., 2., 3.
Interaksjoner Elektromagnetisme , gravitasjon , svak
Symbol

Antipartikkel Antilepton (

)
Typer 6 ( elektron , elektron nøytrino , muon , muon nøytrino , tau , tau nøytrino )
Elektrisk ladning +1 e , 0 e , −1 e
Fargeladning Nei
Snurre rundt Anmeldelse for 1. / 2-

I partikkel-fysikk , en leptonet er en elementærpartikkel av halv-heltalls spinnverdi ( spinn Anmeldelse for 1. / 2- ) som ikke undergår sterke vekselvirkninger . Det finnes to hovedklasser av leptoner: ladede leptoner (også kjent som elektronlignende leptoner eller muoner) og nøytrale leptoner (bedre kjent som nøytrinoer ). Ladede leptoner kan kombinere med andre partikler for å danne forskjellige sammensatte partikler som atomer og positronium , mens nøytrinoer sjelden interagerer med noe, og blir derfor sjelden observert. Den mest kjente av alle leptonene er elektronet .

Det er seks typer leptoner, kjent som smaker , gruppert i tre generasjoner . Den første generasjon leptoner, også kalt elektronisk leptoner , omfatter elektron (
e-
) og elektronneutrino (
v
e
); den andre er de muonic leptoner , som omfatter myonet (
μ-
) og muonneutrino (
v
μ
); og den tredje er de tauoniske leptonene , som består av tau (
τ-
) og tau nøytrino (
v
τ
). Elektroner har minst masse av alle ladede leptoner. De tyngre muonene og tausene vil raskt endre seg til elektroner og nøytrinoer gjennom en prosess med partikkelforfall : transformasjonen fra en høyere massetilstand til en lavere massetilstand. Dermed er elektroner stabile og det vanligste ladede leptonet i universet , mens muoner og taus bare kan produseres i kollisjoner med høy energi (for eksempel de som involverer kosmiske stråler og de som utføres i partikkelakseleratorer ).

Leptoner har forskjellige iboende egenskaper , inkludert elektrisk ladning , spinn og masse . I motsetning til kvarker , er imidlertid leptoner ikke utsatt for den sterke interaksjonen , men de er underlagt de tre andre grunnleggende interaksjonene : gravitasjon , den svake interaksjonen og elektromagnetisme , hvor sistnevnte er proporsjonal med ladning, og er dermed null for elektrisk nøytrale nøytrinoer.

For hver leptonsmak er det en tilsvarende type antipartikkel , kjent som et antilepton, som bare skiller seg fra leptonet ved at noen av egenskapene har like stor størrelse, men motsatt tegn . Ifølge visse teorier kan nøytrinoer være deres egen antipartikkel . Det er foreløpig ikke kjent om dette er tilfelle.

Det første ladede leptonet, elektronet, ble teoretisert på midten av 1800-tallet av flere forskere og ble oppdaget i 1897 av JJ Thomson . Det neste leptonet som skulle observeres var muonen , oppdaget av Carl D. Anderson i 1936, som den gang ble klassifisert som en meson . Etter undersøkelse ble det innsett at muonen ikke hadde de forventede egenskapene til en meson, men heller oppførte seg som et elektron, bare med høyere masse. Det tok til 1947 før begrepet "leptoner" som en familie av partikler ble foreslått. Den første nøytrinoen, elektronneutrinoen, ble foreslått av Wolfgang Pauli i 1930 for å forklare visse egenskaper ved beta -forfall . Det ble først observert i Cowan - Reines nøytrino -eksperiment utført av Clyde Cowan og Frederick Reines i 1956. Muon -nøytrino ble oppdaget i 1962 av Leon M. Lederman , Melvin Schwartz og Jack Steinberger , og tau oppdaget mellom 1974 og 1977 av Martin Lewis Perl og hans kolleger fra Stanford Linear Accelerator Center og Lawrence Berkeley National Laboratory . Den taunøytrino vært unnvikende til juli 2000, da DOUGHNUT samarbeid fra Fermilab annonsert sin oppdagelse.

Leptoner er en viktig del av standardmodellen . Elektroner er en av komponentene i atomer , sammen med protoner og nøytroner . Eksotiske atomer med muoner og taus i stedet for elektroner kan også syntetiseres, så vel som lepton -antileptonpartikler som positronium .

Etymologi

Navnet lepton kommer fra det greske λεπτός leptós , "fint, lite, tynt" ( nøytral nominativ/akkusativ entallform: λεπτόν leptón ); den tidligste attesterte formen for ordet er den mykeniske greske 𐀩𐀡𐀵 , re-po-to , skrevet med lineær B stavelsesskrift. Lepton ble først brukt av fysiker Léon Rosenfeld i 1948:

Etter et forslag fra prof. C. Møller adopterer jeg - som et anheng til "nukleon" - betegnelsen "lepton" (fra λεπτός, liten, tynn, delikat) for å betegne en partikkel med liten masse.

Etymologien innebærer feilaktig at alle leptonene er av liten masse. Da Rosenfeld navngav dem, var de eneste kjente leptonene elektroner og muoner, hvis masse faktisk er liten sammenlignet med nukleoner - massen til et elektron (0,511  MeV/ c 2 ) og massen til en muon (med en verdi på105,7 MeV/ c 2 ) er brøkdeler av massen til det "tunge" protonet (938,3 MeV/ c 2 ). Imidlertid er massen av tau (oppdaget på midten av 1970-tallet) (1777 MeV/ c 2 ) er nesten det dobbelte av protonen og omtrent 3500 ganger elektronens.

Historie

En muon overfører til en muon -nøytrino ved å avgi en
W-
boson
. De
W-
boson henfaller deretter til et elektron og et elektron antineutrino .
Lepton -nomenklatur
Partikkelnavn Antipartikkelnavn
Elektron Antielektron
Positron
Elektron nøytrino Elektron antineutrino
Muon
Mu lepton
Mu
Antimuon
Antimu lepton
Antimu
Muon neutrino
Muonic neutrino
Mu neutrino
Muon antineutrino
Muonic antineutrino
Mu antineutrino
Tauon
Tau lepton
Tau
Antitauon
Antitau lepton
Antitau
Tauon neutrino
Tauonic neutrino
Tau neutrino
Tauon antineutrino
Tauonic antineutrino
Tau antineutrino

Det første leptonet som ble identifisert var elektronet, oppdaget av JJ Thomson og hans team av britiske fysikere i 1897. Så i 1930 postulerte Wolfgang Pauli elektronneutrino for å bevare bevaring av energi , bevaring av momentum og bevaring av vinkelmoment i beta -forfall . Pauli teoretiserte at en uoppdaget partikkel bar bort forskjellen mellom energien , momentumet og vinkelmomentet til de første og observerte sluttpartiklene. Elektronenøytrinoen ble ganske enkelt kalt nøytrinoen, ettersom det ennå ikke var kjent at nøytrinoer kom i forskjellige smaker (eller forskjellige "generasjoner").

Nesten 40 år etter oppdagelsen av elektronet, ble muonen oppdaget av Carl D. Anderson i 1936. På grunn av massen ble den opprinnelig kategorisert som en meson i stedet for en lepton. Det ble senere klart at muonen var mye mer lik elektronet enn mesoner, ettersom muoner ikke gjennomgår den sterke interaksjonen , og dermed ble muonen omklassifisert: elektroner, muoner og (elektron) nøytrino ble gruppert i en ny gruppe av partikler - leptonene. I 1962 viste Leon M. Lederman , Melvin Schwartz og Jack Steinberger at mer enn én type neutrino eksisterer ved først å oppdage interaksjoner mellom muonneutrinoen , noe som ga dem Nobelprisen 1988 , selv om de forskjellige smakene av neutrino da allerede hadde blitt teoretisert.

Den tau ble først oppdaget i en rekke eksperimenter mellom 1974 og 1977 av Martin L. Perl med sine kolleger ved SLAC LBL gruppen . I likhet med elektronet og muonen, var det også forventet å ha en tilhørende nøytrino. Det første beviset for tau -nøytrinoer kom fra observasjonen av "manglende" energi og momentum i tau -forfall, analogt med den "manglende" energien og momentum i beta -forfall som førte til oppdagelsen av elektronneutrino. Den første oppdagelsen av tau nøytrino-interaksjoner ble kunngjort i 2000 av DONUT- samarbeidet på Fermilab , noe som gjorde den til den nest siste partikkelen av standardmodellen som ble observert direkte, med Higgs boson som ble oppdaget i 2012.

Selv om alle nåværende data stemmer overens med tre generasjoner leptoner, søker noen partikkelfysikere etter en fjerde generasjon. Den nåværende nedre grensen for massen til et slikt fjerde ladet lepton er100,8  GeV/ c 2 , mens den tilhørende nøytrinoen ville ha en masse på minst45,0  GeV/ c 2 .

Egenskaper

Spinn og chiralitet

Venstrehendte og høyrehendte heliketer

Leptoner er spinn 1/2partikler. De ring statistikk teorem dermed innebærer at de er fermioner og dermed at de er underlagt Pauli eksklusjonsprinsipp : No to leptoner av samme art kan være i samme tilstand samtidig. Videre betyr det at et lepton bare kan ha to mulige spinntilstander, nemlig opp eller ned.

En nær beslektet eiendom er kiralitet , som igjen er nært knyttet til en lettere visualisert eiendom kalt helicity . Heliciteten til en partikkel er retningen på spinnet i forhold til momentumet ; partikler med spinn i samme retning som deres momentum kalles høyrehendte og de kalles ellers venstrehendte . Når en partikkel er masseløs, er retningen på dens momentum i forhold til spinnet den samme i hver referanseramme, mens det for massive partikler er mulig å 'overkomme' partikkelen ved å velge en referanseramme som beveger seg raskere ; i den raskere rammen er heliciteten reversert. Kiralitet er en teknisk egenskap, definert gjennom transformasjonsatferd under Poincaré -gruppen , som ikke endres med referanserammen. Det er konstruert for å være enig med helisitet for masseløse partikler, og er fremdeles godt definert for partikler med masse.

I mange kvantefeltteorier , for eksempel kvanteelektrodynamikk og kvantekromodynamikk , er venstre- og høyrehendte fermioner identiske. Standardmodellens svake interaksjon behandler imidlertid venstrehendte og høyrehendte fermioner annerledes: Bare venstrehendte fermioner (og høyrehendte anti-fermioner) deltar i den svake interaksjonen . Dette er et eksempel på paritetsbrudd som eksplisitt er skrevet inn i modellen. I litteraturen venstrehendte felt blir ofte markert med en stor L senket (for eksempel normal elektron: e L - ) og høyrehendte felt er markert med en stor R senket (for eksempel et positron e R + ).

Høyrehendte nøytrinoer og venstrehendte antinøytrinoer har ingen mulig interaksjon med andre partikler ( se sterile nøytrinoer ) og er derfor ikke en funksjonell del av standardmodellen, selv om utelukkelse ikke er et strengt krav; de er noen ganger oppført i partikkeltabeller for å understreke at de ikke ville ha noen aktiv rolle hvis de inkluderes i modellen. Selv om elektrisk ladede høyrehendte partikler (elektron, muon eller tau) ikke engasjerer seg spesielt i den svake interaksjonen, kan de fortsatt samhandle elektrisk, og derfor fortsatt delta i den kombinerte elektro-svake kraften , selv om de har forskjellige styrker ( Y W ).

Elektromagnetisk interaksjon

Lepton -foton -interaksjon

En av de mest fremtredende egenskapene leptoner er deres elektrisk ladning , Q . Den elektriske ladningen bestemmer styrken til deres elektromagnetiske interaksjoner . Den bestemmer styrken til det elektriske feltet generert av partikkelen (se Coulombs lov ) og hvor sterkt partikkelen reagerer på et eksternt elektrisk eller magnetisk felt (se Lorentz kraft ). Hver generasjon inneholder ett lepton med og ett lepton med null elektrisk ladning. Leptonet med elektrisk ladning blir vanligvis ganske enkelt referert til som et ladet lepton mens et nøytralt lepton kalles et neutrino . For eksempel består den første generasjonen av elektronet
e-
med en negativ elektrisk ladning og det elektrisk nøytrale elektronneutrinoet
v
e
.

På kvantefeltteoriens språk uttrykkes den elektromagnetiske interaksjonen mellom de ladede leptonene ved at partiklene samhandler med kvanten i det elektromagnetiske feltet, fotonet . Den Feynman diagram av elektron fotonet vekselvirkning er vist på høyre side.

Fordi leptoner har en egenrotasjon i form av spinn, genererer ladede leptoner et magnetfelt. Størrelsen på deres magnetiske dipolmoment μ er gitt av

hvor m er massen til leptonet og g er den såkalte " g-  faktoren" for leptonet. Førsteordens kvantemekanisk tilnærming forutsier at g-  faktoren er 2 for alle leptoner. Imidlertid introduserer kvantitetseffekter av høyere orden forårsaket av sløyfer i Feynman-diagrammer korreksjoner til denne verdien. Disse korreksjonene, referert til som det anomale magnetiske dipolmomentet , er svært følsomme for detaljene i en kvantefeltteorimodell, og gir dermed mulighet for presisjonstester av standardmodellen. De teoretiske og målte verdiene for det elektronavvikende magnetiske dipolmomentet er innenfor enighet innen åtte signifikante tall. Resultatene for muonen er imidlertid problematiske , og antyder et lite, vedvarende avvik mellom standardmodellen og eksperimentet.

Svak interaksjon

Lepton-interaksjon-toppunkt-evW.svg Lepton-interaksjon-vertex-pvW.svg Lepton-interaksjon-toppunkt-eeZ.svg
De svake interaksjonene til første generasjon leptoner.

I standardmodellen er venstrehendte ladede lepton og venstrehendte nøytrino arrangert i dublett e L , e -
L.
)
At transformasjoner i Spinor representasjon ( T  =  Anmeldelse for 1. / 2 ) av den svake isospin SU (2) sporvidde symmetri. Dette betyr at disse partiklene er egenstater for isospinprojeksjonen T 3 med egenverdier ++12 og -+Anmeldelse for 1. / 2- henholdsvis. I mellomtiden transformeres det høyrehendte ladede leptonet som en svak isospin-skalar ( T  = 0) og deltar dermed ikke i den svake interaksjonen , mens det ikke er bevis på at en høyrehendt neutrino eksisterer i det hele tatt.

Den Higgs mekanisme recombines måleren felt av den svake isospin SU (2) og den svake hypercharge U (1) symmetrier til tre massive vektor bosoner (hvilket vil
W+
,
W-
,
Z0
) som formidler den svake interaksjonen , og en masseløs vektor boson, fotonet, ansvarlig for den elektromagnetiske interaksjonen. Den elektriske ladningen Q kan beregnes ut fra isospinprojeksjonen T 3 og svak hyperladning Y W gjennom formelen Gell-Mann-Nishijima ,

Q = T 3 + Anmeldelse for 1. / 2- Y- W 

For å gjenopprette de observerte elektriske ladningene for alle partikler, den venstrehendte svake isospin-dubletten e L , e -
L.
)
må dermed ha Y W  = −1, mens den høyrehendte isospin-skalaren e-
R
må ha Y W  = −2. Samspillet mellom leptonene og de massive svake interaksjonsvektor -bosonene er vist i figuren til høyre.

Masse

I standardmodellen starter hvert lepton uten egen masse. De ladede leptonene (dvs. elektronet, muon og tau) oppnår en effektiv masse gjennom interaksjon med Higgs -feltet , men nøytrinoene forblir masseløse. Av tekniske årsaker innebærer masseløsheten til nøytrinoene at det ikke er noen blanding av de forskjellige generasjonene av ladede leptoner som det er for kvarker . Nullmassen til neutrino er i nært samsvar med gjeldende direkte eksperimentelle observasjoner av massen.

Imidlertid er det kjent fra indirekte eksperimenter - mest fremtredende fra observerte nøytrinooscillasjoner - at nøytrinoer må ha en null masse, sannsynligvis mindre enneV/ c 2 . Dette innebærer eksistensen av fysikk utover standardmodellen . Den mest favoriserte utvidelsen er den såkalte vippemekanismen , som kan forklare både hvorfor de venstrehendte nøytrinoene er så lette sammenlignet med de tilsvarende ladede leptonene, og hvorfor vi ennå ikke har sett noen høyrehendte nøytrinoer.

Leptonsmak kvantetall

Medlemmene i hver generasjon er svak isospin dublett tildeles leptonic tall som er konservert under standardmodell. Elektroner og elektronnøytrino ha et elektronisk antall av L e  = 1 , mens myoner og myonnøytrino ha en muonic antall av L μ  = 1 , mens tau-partikler og taunøytrino ha en tauonic antall av L τ  = 1 . Antileptonene har sin respektive generasjons leptoniske tall på -1 .

Bevaring av de leptoniske tallene betyr at antall leptoner av samme type forblir det samme når partikler interagerer. Dette innebærer at leptoner og antileptoner må opprettes i par av en enkelt generasjon. For eksempel er følgende prosesser tillatt under bevaring av leptoniske tall:

Hver generasjon danner en svak isospin -dublett .

e-
+
e+

γ
,

τ-
+
τ+

Z0
,

men ikke disse:


γ

e-
+
μ+
,

W-

e-
+
v
τ
,

Z0

μ-
+
τ+
.

Imidlertid er det kjent at nøytrinooscillasjoner bryter bevaringen av de individuelle leptoniske tallene. Et slikt brudd anses å være røykbevis for fysikk utover standardmodellen . En mye sterkere vern loven er bevaring av det totale antallet leptoner ( L med ingen senket ), bevares selv i tilfelle av nøytrinooscillasjon, men selv er det fortsatt brutt av en liten mengde av kirale anomali .

Universitet

Koblingen av leptoner til alle typer målerboson er smakuavhengig: Samspillet mellom leptoner og et måleboson måler det samme for hvert lepton. Denne egenskapen kalles leptonuniversalitet og har blitt testet i målinger av muon- og tau -levetid og av
Z
boson delvis forfall bredder , spesielt ved Stanford Linear Collider (SLC) og Large Electron - Positron Collider (LEP) eksperimenter.

Forfallshastigheten ( ) for muoner gjennom prosessen 
μ-

e-
+
v
e
+
v
μ
 
er omtrent gitt av et uttrykk for skjemaet (se muon decay for flere detaljer)

hvor K 2 er noen konstant, og G F er Fermi -koblingskonstanten . Forfallshastigheten til taupartikler gjennom prosessen 
τ-

e-
+
v
e
+
v
τ
 
er gitt av et uttrykk av samme form

hvor K 3 er en annen konstant. Muon -tauon -universalitet innebærer at K 2K 3 . På den annen side innebærer elektron -muon -universalitet

Dette forklarer hvorfor forgreningsforholdene for elektronisk modus (17,82%) og muonic (17,39%) modus for tau -forfall er like (innen feil).

Universitet står også for forholdet mellom muon- og tau -levetid. Levetiden til et lepton (med = " μ " eller " τ ") er relatert til forfallshastigheten med

,

hvor betegner forgreningsforholdene og angir prosessens resonansbredde med x og y erstattet av to forskjellige partikler fra " e " eller " μ " eller " τ ".

Forholdet mellom tau og muon levetid er dermed gitt av

Ved å bruke verdier fra 2008 gjennomgang av partikkelfysikk for forgreningsforholdene til muon og tau gir det et levetidsforhold på ~1,29 × 10 −7 , sammenlignbar med det målte levetidsforholdet på ~1,32 × 10 −7 . Forskjellen skyldes at K 2 og K 3 faktisk ikke er konstanter: De er litt avhengige av massen av leptoner som er involvert.

Nylige tester av leptonuniversalitet i
B
mesonforfall
, utført av LHCb- , BaBar- og Belle -eksperimentene, har vist konsekvente avvik fra standardmodellspådommene. Den kombinerte statistiske og systematiske signifikansen er imidlertid ennå ikke høy nok til å kreve en observasjon av ny fysikk .

I juli 2021 har resultater på leptonuniversalitet blitt publisert som tester W-forfall, tidligere målinger fra LEP hadde gitt en liten ubalanse, men den nye målingen av ATLAS- samarbeidet har dobbel presisjon og gir et forhold som samsvarer med standardmodellspådommen om enhet

Tabell over leptoner

Egenskaper til leptoner
Spinn
J.
Partikkel- eller
antipartikkelnavn
Symbol Charge
Q
( e )
Leptonsmak nummer Masse
( MeV /c 2 )
Levetid
( sekunder )
L e L μ L τ
 1 /2 Elektron
e-
−1 +1 0 0 0,510998910 
(± 13)
Stabil
Positron
e+
+1 −1
Muon
μ-
−1 0 +1 0 105.6583668 
(± 38)
2.197019 × 10 −6
(± 21)        
Antimuon
μ+
+1 −1
Tau
τ-
−1 0 0 +1 1776,84 
(± .17)
2,906 × 10 −13
(± .010)         
Antitau
τ+
+1 −1
Elektron nøytrino
v
e
0 +1 0 0 <0,0000022 Ukjent
Elektron antineutrino
v
e
−1
Muon nøytrino
v
μ
0 0 +1 0 <0,17 Ukjent
Muon antineutrino
v
μ
−1
Tau nøytrino
v
τ
0 0 0 +1 <15,5 Ukjent
Tau antineutrino
v
τ
−1

Se også

Merknader

Referanser

Eksterne linker