Lepton - Lepton

Maddenin Nesilleri
fermiyon kategorileri Temel parçacık üretimi
Tip alt tip Öncelikle İkinci Üçüncü
Kuarklar
( renkli )
aşağı tip aşağı yabancı alt
yukarı tip yukarı Cazibe Tepe
Leptonlar
(renksiz)
ücretli elektron müon tauon
doğal elektron nötrino müon nötrino tau nötrino
lepton
Beta Negatif Bozunma.svg
Leptonlar, beta bozunması gibi çeşitli süreçlerde yer alır .
Kompozisyon Temel parçacık
İstatistik fermiyonik
Nesil 1., 2., 3.
Etkileşimler Elektromanyetizma , Yerçekimi , Zayıf
Sembol

antiparçacık antilepton (

)
Türler 6 ( elektron , elektron nötrino , müon , müon nötrino , tau , tau nötrino )
Elektrik şarjı +1 e , 0 e , -1 e
Renk şarjı Numara
Döndürmek 12

İçinde partikül fizik , bir lepton bir bir temel parçacık ait yarım tamsayı dönüş ( eğirme 1 / 2 uğramaz) güçlü etkileşimler . İki ana lepton sınıfı vardır: yüklü leptonlar ( elektron benzeri leptonlar veya müonlar olarak da bilinir ) ve nötr leptonlar (daha iyi bilinen adıyla nötrinolar ). Yüklü leptonlar, atomlar ve pozitronyum gibi çeşitli bileşik parçacıklar oluşturmak için diğer parçacıklarla birleşebilirken , nötrinolar nadiren herhangi bir şeyle etkileşime girer ve sonuç olarak nadiren gözlemlenir. Tüm leptonların en iyi bilineni elektrondur .

Üç kuşakta gruplandırılmış, tatlar olarak bilinen altı tür lepton vardır . İlk nesil olarak da adlandırılır leptonların, elektronik leptonlara ihtiva elektron (
e-
) ve elektron nötrino (
ν
e
); ikincisi
müon içeren müonik leptonlardır (
μ-
) ve müon nötrino (
ν
μ
); ve üçüncü tauonic leptonların içeren, tau (
τ-
) ve tau nötrino (
ν
τ
). Elektronlar, tüm yüklü leptonların en küçük kütlesine sahiptir. Daha ağır müonlar ve taus, bir parçacık bozunma süreci yoluyla hızla elektronlara ve nötrinolara dönüşecektir : daha yüksek bir kütle durumundan daha düşük bir kütle durumuna dönüşüm. Bu nedenle elektronlar kararlıdır ve evrendeki en yaygın yüklü leptondur, oysa müonlar ve taus sadece yüksek enerjili çarpışmalarda ( kozmik ışınları içerenler ve parçacık hızlandırıcılarda gerçekleştirilenler gibi) üretilebilir .

Leptonlar , elektrik yükü , dönüş ve kütle gibi çeşitli içsel özelliklere sahiptir . Bununla birlikte, kuarklardan farklı olarak , leptonlar güçlü etkileşime tabi değildirler , ancak diğer üç temel etkileşime tabidirler : yerçekimi , zayıf etkileşim ve elektromanyetizma , ikincisi yük ile orantılıdır ve bu nedenle, elektromanyetizma için sıfırdır. elektriksel olarak nötr nötrinolar.

Her lepton aroması için, antilepton olarak bilinen ve leptondan yalnızca bazı özelliklerinin eşit büyüklükte ancak zıt işaretli olmasıyla ayrılan karşılık gelen bir antiparçacık türü vardır . Bazı teorilere göre, nötrinolar kendi antiparçacıkları olabilir . Şu anda durumun böyle olup olmadığı bilinmiyor.

İlk yüklü lepton, elektron, 19. yüzyılın ortalarında birkaç bilim adamı tarafından teorileştirildi ve 1897'de JJ Thomson tarafından keşfedildi . Bir sonraki lepton olarak dikkat edilmesi gereken müyon tarafından keşfedilen, Carl D. Anderson olarak sınıflandırıldı 1936, meson zamanda. Araştırmadan sonra, müonun bir mezondan beklenen özelliklere sahip olmadığı, daha çok bir elektron gibi davrandığı, yalnızca daha yüksek kütleli olduğu anlaşıldı. Bir parçacık ailesi olarak "lepton" kavramının önerilmesi 1947'ye kadar sürdü. İlk nötrino, elektron nötrino, 1930'da Wolfgang Pauli tarafından beta bozunmasının belirli özelliklerini açıklamak için önerildi . İlk olarak 1956'da Clyde Cowan ve Frederick Reines tarafından yürütülen Cowan-Reines nötrino deneyinde gözlendi. Müon nötrino 1962'de Leon M. Lederman , Melvin Schwartz ve Jack Steinberger tarafından keşfedildi ve tau 1974 ile 1977 arasında Martin Lewis Perl ve Stanford Lineer Hızlandırıcı Merkezi ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'ndan meslektaşları . Tau nötrino Temmuz 2000 yılına kadar zor kalmıştır DONUT işbirliği gelen Fermilab'dan Keşfedilmesini açıkladı.

Leptonlar, Standart Modelin önemli bir parçasıdır . Elektronlar, protonlar ve nötronların yanı sıra atomların bileşenlerinden biridir . Elektron yerine müon ve taus içeren egzotik atomların yanı sıra pozitronyum gibi lepton-antilepton parçacıkları da sentezlenebilir .

etimoloji

Lepton adı Yunanca λεπτός leptós'tan gelir , "ince, küçük, ince" ( nötr yalın/suçlayıcı tekil form: λεπτόν leptón ); kelimenin en eski onaylanmış biçimi, Linear B hece yazısıyla yazılmış Miken Yunanca 𐀩𐀡𐀵 , re-po- to'dur . Lepton ilk olarak 1948'de fizikçi Léon Rosenfeld tarafından kullanıldı :

Prof. C. Møller'in bir önerisini takiben, küçük kütleli bir parçacığı belirtmek için "lepton" (λεπτός, küçük, ince, narin) kupürünü "nükleon"a bir kolye olarak kabul ediyorum.

Etimoloji yanlış bir şekilde tüm leptonların küçük kütleli olduğunu ima eder. Rosenfeld onları isimlendirdiğinde, bilinen tek leptonlar, kütleleri nükleonlara (bir elektronun kütlesi) kıyasla gerçekten küçük olan elektronlar ve müonlardı.0.511  MeV/ c 2 ) ve bir müonun kütlesi (değeri ile105.7 MeV/ c 2 ) "ağır" protonun kütlesinin kesirleridir (938.3 MeV/ c 2 ). Ancak, tau kütlesi (1970'lerin ortalarında keşfedildi) (1777 MeV/ c 2 ) protonunkinin neredeyse iki katı ve elektronunkinin yaklaşık 3.500 katıdır.

Tarih

Bir müon, bir muon nötrino yayarak bir müon nötrinoya dönüşür.
W-
bozon
. NS
W-
bozon daha sonra bir elektron ve bir elektron antineutrino'ya bozunur .
Lepton terminolojisi
parçacık adı antiparçacık adı
Elektron antielektron
pozitron
elektron nötrino elektron antinötrino
Müon
Mu lepton
Mu
Antimuon
Antimu lepton
Antimu
Müon nötrino
Müonik nötrino
Mu nötrino
Müon antinötrino
Müonik antinötrino
Mu antinötrino
Tauon
Tau lepton
Tau
Antitauon
Antitau lepton
Antitau
Tauon nötrino
Tauonik nötrino
Tau nötrino
Tauon antinötrino
Tauonik antinötrino
Tau antinötrino

Belirlenen birinci lepton tarafından keşfedilen elektron oldu JJ Thomson ve 1897 yılında İngiliz fizikçi ekibi Sonra 1930 yılında, Wolfgang Pauli öne elektron nötrino korumak için enerjinin korunumu , momentum korunumu ve açısal momentumun korunumu içinde beta bozunumu . Pauli, tespit edilmemiş bir parçacığın, ilk ve gözlenen son parçacıkların enerji , momentum ve açısal momentumu arasındaki farkı alıp götürdüğünü kuramlaştırdı . Elektron nötrino, nötrinoların farklı tatlarda (veya farklı "nesillerde") geldiği henüz bilinmediğinden, basitçe nötrino olarak adlandırıldı.

Elektronun keşfinden yaklaşık 40 yıl sonra, müon 1936'da Carl D. Anderson tarafından keşfedildi . Kütlesi nedeniyle başlangıçta lepton yerine mezon olarak sınıflandırıldı . Daha sonra müonların mezonlardan çok elektrona benzer olduğu anlaşıldı, çünkü müonlar güçlü etkileşime girmez ve bu nedenle müon yeniden sınıflandırıldı: elektronlar, müonlar ve (elektron) nötrino yeni bir grup halinde gruplandı. parçacıklar - leptonlar. 1962'de Leon M. Lederman , Melvin Schwartz ve Jack Steinberger , ilk olarak müon nötrino etkileşimlerini saptayarak, birden fazla nötrino türünün var olduğunu gösterdiler , bu da onlara 1988 Nobel Ödülü'nü kazandırdı , ancak o zamana kadar farklı nötrino tatları zaten vardı. teorize edilmiştir.

Tau ilk tarafından 1974 ve 1977 arasında bir dizi deneyle tespit edildi Martin Lewis Perl yaptığı meslektaşları ile SLAC LBL grubunda . Elektron ve müon gibi, onun da ilişkili bir nötrinoya sahip olması bekleniyordu. Tau nötrinoları için ilk kanıt, elektron nötrinosunun keşfedilmesine yol açan beta bozunumundaki "eksik" enerji ve momentuma benzer şekilde, tau bozunmasında "eksik" enerji ve momentum gözleminden geldi. Tau nötrino etkileşimlerinin ilk tespiti, 2000 yılında Fermilab'daki DONUT işbirliği ile duyuruldu , bu da onu Standart Modelin 2012'de keşfedilen Higgs bozonu ile doğrudan gözlemlenen en son ikinci parçacık haline getirdi .

Mevcut tüm veriler, üç nesil leptonla tutarlı olsa da, bazı parçacık fizikçileri dördüncü nesli arıyorlar. Böyle bir dördüncü yüklü leptonun kütlesi üzerindeki mevcut alt limit,100,8  GeV/ c 2 , bununla ilişkili nötrino en az45.0  GeV/ c 2 .

Özellikler

Spin ve kiralite

Solak ve sağ elle sarmallıklar

Leptonlar olan Spin 1/2parçacıklar. Spin-istatistik teoremi böylece olduklarını ima fermiyonlar ve böylece onlar tabi olduğunu Pauli ilkesine : Hayır, aynı türün iki lepton aynı anda aynı durumda olabilir. Ayrıca, bir leptonun yalnızca iki olası dönüş durumuna, yani yukarı veya aşağı, sahip olabileceği anlamına gelir.

Yakından ilişkili bir özellik kiralitedir ve bu da helisite adı verilen daha kolay görselleştirilmiş bir özellik ile yakından ilişkilidir . Bir parçacığın sarmallığı, momentumuna göre dönüşünün yönüdür ; Momentumları ile aynı yönde spinli parçacıklara sağlak , aksi halde solak denir . Bir parçacık kütlesiz olduğunda, momentumunun dönüşüne göre yönü her referans çerçevesinde aynıdır, oysa büyük parçacıklar için daha hızlı hareket eden bir referans çerçevesi seçerek parçacığı 'geçmek' mümkündür ; daha hızlı çerçevede, sarmallık tersine çevrilir. Kirallik, Poincare grubu altında dönüşüm davranışı ile tanımlanan , referans çerçevesi ile değişmeyen teknik bir özelliktir . Kütlesiz parçacıklar için sarmallık ile aynı fikirdedir ve kütleli parçacıklar için hala iyi tanımlanmıştır.

Kuantum elektrodinamiği ve kuantum kromodinamiği gibi birçok kuantum alan teorisinde , sol ve sağ el fermiyonları aynıdır. Bununla birlikte, standart Model en zayıf etkileşim katılmak sadece sol elini Fermiyonları (ve sağ elini kullanan bir anti-Fermiyonları): muamele eli sol ve sağ elini kullanan fermiyonlar farklı zayıf bir etkileşim . Bu, modele açıkça yazılan bir eşlik ihlali örneğidir . Literatürde, solak alanlar genellikle büyük bir L alt simgesi (örneğin normal elektron: e L - ) ile gösterilir ve sağ el alanlar büyük bir R alt simgesi (örneğin bir pozitron e R + ) ile gösterilir.

Sağ-elli nötrinolar ve sol-elli anti-nötrinoların diğer parçacıklarla olası bir etkileşimi yoktur ( bakınız steril nötrinolar ) ve bu nedenle, hariç tutulmaları kesin bir gereklilik olmasa da, Standart Modelin işlevsel bir parçası değildir; modele dahil edildiklerinde aktif rollerinin olmayacağını vurgulamak için bazen parçacık tablolarında listelenirler. Olsa da elektriksel olarak etkileşimde elektriksel olarak hareketsiz, özellikle zayıf bir etkileşim meşgul olmayan sağ elini kullanan parçacıklar (elektron, Muon veya tau) olabilir yüklü, ve dolayısıyla daha katılmak Birleştirilen elektro-zayıf bir kuvvet (çeşitli güçlü olan, ancak, Y, W ).

elektromanyetik etkileşim

Lepton-foton etkileşimi

Leptonların en belirgin özelliklerinden biri de olan elektrik yükü , Q . Elektrik yükü, elektromanyetik etkileşimlerinin gücünü belirler . Parçacık tarafından üretilen elektrik alanının gücünü (bkz. Coulomb yasası ) ve parçacığın harici bir elektrik veya manyetik alana ne kadar güçlü tepki verdiğini belirler (bkz. Lorentz kuvveti ). Her nesil, bir sıfır elektrik yüklü bir lepton ve bir lepton içerir . Elektrik yüklü lepton genellikle yüklü lepton , nötr lepton ise nötrino olarak adlandırılır . Örneğin, ilk nesil elektrondan oluşur.
e-
negatif elektrik yükü ve elektriksel olarak nötr elektron nötrino ile
ν
e
.

Kuantum alan teorisi dilinde, yüklü leptonların elektromanyetik etkileşimi, parçacıkların elektromanyetik alanın kuantumu olan foton ile etkileşime girmesiyle ifade edilir . Feynmann diyagramı elektron foton etkileşimi sağda gösterilmiştir.

Leptonlar spinleri şeklinde içsel bir rotasyona sahip olduklarından, yüklü leptonlar bir manyetik alan oluşturur. Manyetik dipol momentlerinin boyutu μ şu şekilde verilir:

burada m , leptonun kütlesidir ve g , lepton için " g  faktörü" olarak adlandırılır . Birinci mertebeden kuantum mekaniksel yaklaşım  , tüm leptonlar için g faktörünün 2 olduğunu tahmin eder . Ancak, Feynman diyagramlarındaki döngülerin neden olduğu daha yüksek dereceli kuantum etkileri, bu değere düzeltmeler getirir. Anormal manyetik dipol momenti olarak adlandırılan bu düzeltmeler, bir kuantum alan teorisi modelinin detaylarına çok duyarlıdır ve bu nedenle standart modelin hassas testleri için fırsat sağlar. Elektron anormal manyetik dipol momenti için teorik ve ölçülen değerler, sekiz anlamlı rakam içinde uyum içindedir. Ancak müon için elde edilen sonuçlar problemlidir ve Standart Model ile deney arasında küçük, kalıcı bir tutarsızlığa işaret eder.

Zayıf etkileşim

Lepton-etkileşim-köşe-evW.svg Lepton-etkileşim-köşe-pvW.svg Lepton-etkileşim-köşe-eeZ.svg
Zayıf etkileşimler ilk nesil elektronların.

Standart Modelde solak yüklü lepton ve solak nötrino ikili ( ν e L , e -
L
)
zayıf izospin SU(2) ayar simetrisinin spinor temsilinde ( T  =  12 )dönüşür. Bu demektir ki, bu parçacıklar izospin çıkıntının özdurumlarıdır bu T 3 öz değerleri ile + +12 ve+12 sırasıyla. Bu arada, sağ-elli yüklü lepton, zayıf bir izospin skaleri ( T  = 0)olarak dönüşürve bu nedenle zayıf etkileşime katılmaz, oysa sağ-elli bir nötrino olduğuna dair hiçbir kanıt yoktur.

Higgs mekanizması zayıf izospin SU (2) ve ölçme alanları tekrar düzenler zayıf hypercharge U (1) simetri üç büyük vektör bozonları (
W+
,
W-
,
Z0
) zayıf etkileşime aracılık eder ve elektromanyetik etkileşimden sorumlu olan kütlesiz bir vektör bozonu olan foton. Elektrik yükü S izospin çıkıntı hesaplanabilir , T 3 ve zayıf hypercharge Y'nin W ile Gell-Mann-Nishijima formül ,

S = T 3 + 1 / 2 , Y B 

Tüm parçacıklar için gözlenen elektrik yüklerini geri kazanmak için, sol-elli zayıf izospin ikilisi ( ν e L , e -
L
)
bu nedenle Y W  = -1 olmalıdır, sağ el izospin skaler e ise-
R,
olmalıdır Y W  = -2. Leptonların masif zayıf etkileşim vektörü bozonları ile etkileşimi sağdaki şekilde gösterilmiştir.

Yığın

In Standart Modeli , her lepton hiçbir içsel kütleye sahip başlar. Yüklü leptonlar (yani elektron, müon ve tau), Higgs alanı ile etkileşim yoluyla etkin bir kütle elde eder , ancak nötrinolar kütlesiz kalır. Teknik nedenlerden dolayı, nötrinoların kütlesizliği, kuarklarda olduğu gibi, yüklü leptonların farklı nesillerinin bir karışımının olmadığını ima eder . Nötrinonun sıfır kütlesi, kütlenin mevcut doğrudan deneysel gözlemleriyle yakın bir uyum içindedir.

Bununla birlikte, dolaylı deneylerden - en belirgin olarak gözlemlenen nötrino salınımlarından - nötrinoların sıfırdan farklı bir kütleye sahip olması gerektiği bilinmektedir.eV/ c 2 . Bu , Standart Model'in ötesinde fiziğin varlığını ima eder . Şu anda en çok tercih edilen uzantı, hem sol elini kullanan nötrinoların karşılık gelen yüklü leptonlara kıyasla bu kadar hafif olduğunu hem de neden henüz sağ elini kullanan nötrinoları görmediğimizi açıklayan tahterevalli mekanizmasıdır .

Lepton aroma kuantum sayıları

Her kuşağın üyeleri zayıf izospin ikilisinin atanır leptonik numaralar standart model altında muhafaza edilmektedir. Elektronlar ve elektron nötrinolar bir bilgisi elektronik sayısı ve L , e  = 1 Müonların ve Muon nötrinolar varken, muonic sayısı ve L μ  = 1 tau parçacıkları ve tau nötrinolar varken, tauonic sayısı ve L τ  = 1 . Antileptonların ilgili neslinin leptonik sayıları -1'dir .

Leptonik sayıların korunumu, parçacıklar etkileşime girdiğinde aynı türden leptonların sayısının aynı kaldığı anlamına gelir. Bu, leptonların ve antileptonların tek bir neslin çiftleri halinde yaratılması gerektiği anlamına gelir. Örneğin, leptonik sayıların korunumu altında aşağıdaki işlemlere izin verilir:


e-
+
e+

y
,

τ-
+
τ+

Z0
,

ama bunlar değil:


y

e-
+
μ+
,

W-

e-
+
ν
τ
,

Z0

μ-
+
τ+
.

Bununla birlikte, nötrino salınımlarının bireysel leptonik sayıların korunumunu ihlal ettiği bilinmektedir. Böyle bir ihlal, Standart Model'in ötesinde fizik için dumanlı silah kanıtı olarak kabul edilir . Bir çok daha güçlü koruma kanunu leptonların (toplam sayısının korunumu olan L ile hiçbir simge bile nötrino salınımları durumunda korunmuş), fakat hatta yine bir minik miktarda tarafından ihlal edilmektedir kiral anomali .

evrensellik

Leptonların tüm ayar bozon tiplerine bağlanması aromadan bağımsızdır: Leptonlar ve ayar bozonu arasındaki etkileşim, her lepton için aynı şeyi ölçer. Bu özellik lepton evrenselliği olarak adlandırılır ve müon ve tau ömürlerinin ölçümlerinde test edilmiştir .
Z
bozon kısmi bozunma genişlikleri , özellikle Stanford Doğrusal Çarpıştırıcısı (SLC) ve Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısı (LEP) deneylerinde.

İşlem boyunca müonların bozunma hızı ( ) 
μ-

e-
+
ν
e
+
ν
μ
 
yaklaşık olarak formun bir ifadesi ile verilir ( daha fazla ayrıntı için müon bozunmasına bakın)

burada K 2 bir sabittir ve G, F olan Fermi birleşme sabit . Süreç boyunca tau parçacıklarının bozunma hızı 
τ-

e-
+
ν
e
+
ν
τ
 
aynı formun bir ifadesi ile verilir

burada K 3 başka bir sabittir. Müon-tauon evrenselliği, K 2K 3 anlamına gelir . Öte yandan, elektron-müon evrenselliği,

Bu , elektronik mod (%17.82) ve muonik (%17.39) tau bozunumu modu için dallanma oranlarının neden eşit olduğunu (hata dahilinde) açıklar .

Evrensellik aynı zamanda müon ve tau ömürlerinin oranını da açıklar. Bir leptonun ömrü ( = " μ " veya " τ " ile) bozunma hızı ile şu şekilde ilişkilidir:

,

burada dallanma oranlarına işaret eder ve gösterir rezonans genişliği süreci ile x ve y "iki farklı parçacıklar ile ikame e " ya da " u " veya " t alınmak ".

Tau ve müon ömrünün oranı böylece verilir

Müon ve tau'nun dallanma oranları için 2008 Parçacık Fiziği İncelemesinden elde edilen değerlerin kullanılması, bir ömür boyu oranı verir.1,29 × 10 −7 , ölçülen yaşam süresi oranıyla karşılaştırılabilir ~1.32 × 10 −7 . Fark, K 2 ve K 3'ün aslında sabit olmamasından kaynaklanmaktadır: Bunlar, ilgili leptonların kütlesine biraz bağlıdırlar.

Son zamanlarda lepton evrenselliği testleri
B
LHCb , BaBar ve Belle deneyleri tarafından gerçekleştirilen mezon bozunmaları, Standart Model tahminlerinden tutarlı sapmalar göstermiştir. Bununla birlikte, birleşik istatistiksel ve sistematik önem, henüz yeni bir fizik gözlemi iddia etmek için yeterince yüksek değil .

Temmuz 2021'de lepton evrenselliği ile ilgili sonuçlar W bozunmalarını test ederek yayınlandı, LEP tarafından yapılan önceki ölçümler hafif bir dengesizlik verdi ancak ATLAS işbirliğinin yeni ölçümü iki kat daha fazla hassasiyete sahip ve standart model tahminine uyan bir oran veriyor . birlik

lepton tablosu

leptonların özellikleri
J'yi döndür
Parçacık veya
Antiparçacık adı
Sembol Yük
Q
( e )
Lepton aroma numarası Kütle
( MeV /c 2 )
Ömür
( saniye )
L e L μ L τ
 1 /2 Elektron
e-
-1 +1 0 0 0,510998910 
(±13)
Kararlı
pozitron
e+
+1 -1
müon
μ-
-1 0 +1 0 105.6583668 
(±38)
2.197019×10 −6
(±21)        
antimüon
μ+
+1 -1
Tau
τ-
-1 0 0 +1 1776.84 
(±.17)
2.906×10 −13
(±.010)         
Antitau
τ+
+1 -1
elektron nötrino
ν
e
0 +1 0 0 <0.0000022 Bilinmeyen
elektron antinötrino
ν
e
-1
müon nötrino
ν
μ
0 0 +1 0 < 0.17 Bilinmeyen
müon antinötrino
ν
μ
-1
tau nötrino
ν
τ
0 0 0 +1 < 15.5 Bilinmeyen
Tau antinötrino
ν
τ
-1

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

Dış bağlantılar