КАКИЕ ЛЕПТОНЫ?

Send

В течение 19 и 20 веков физики начали исследовать природу материи и энергии. При этом они быстро поняли, что правила, которыми они руководствуются, становятся более размытыми, чем глубже. В то время как преобладающей теорией было то, что вся материя состоит из неделимых атомов, ученые начали понимать, что сами атомы состоят из еще более мелких частиц.

Из этих исследований родилась стандартная модель физики частиц. Согласно этой модели, вся материя во Вселенной состоит из двух видов частиц: адронов, от которых получил свое название Большой адронный коллайдер (LHC), и лептонов. Там, где адроны состоят из других элементарных частиц (кварков, анти-кварков и т. Д.), Лептоны - это элементарные частицы, которые существуют сами по себе.

Определение:

Слово лептон происходит от греческого Leptos, что означает «маленький», «тонкий» или «тонкий». Первое зарегистрированное использование слова было физиком Леоном Розенфельдом в его книгеЯдерные силы (1948). В книге он объяснил использование этого слова предложением датского химика и физика профессора Кристиана Моллера.

Термин был выбран для обозначения частиц небольшой массы, поскольку единственными известными лептонами во времена Розенфельда были мюоны. Эти элементарные частицы более чем в 200 раз массивнее электронов, но имеют только одну девятую массу протона. Наряду с кварками лептоны являются основными строительными блоками материи и поэтому рассматриваются как «элементарные частицы».

Типы лептонов:

Согласно Стандартной модели, существует шесть различных типов лептонов. К ним относятся электрон, мюон и тау-частицы, а также связанные с ними нейтрино (то есть электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино). Лептоны имеют отрицательный заряд и отличную массу, тогда как их нейтрино имеют нейтральный заряд.

Электроны самые легкие с массой 0,000511 гигаэлектронвольт (ГэВ), в то время как мюоны имеют массу 0,1066 ГэВ, а частицы Тау (самые тяжелые) имеют массу 1,777 ГэВ. Различные разновидности элементарных частиц обычно называют «ароматизаторами». Хотя каждый из трех лептонных ароматов различен и различен (с точки зрения их взаимодействия с другими частицами), они не являются неизменными.

Нейтрино может изменить свой вкус, процесс, который известен как «колебание вкуса нейтрино». Это может принимать различные формы, включая солнечное нейтрино, атмосферное нейтрино, ядерный реактор или колебания пучка. Во всех наблюдаемых случаях колебания были подтверждены, по-видимому, дефицитом числа создаваемых нейтрино.

Одна наблюдаемая причина связана с «распадом мюонов» (см. Ниже), процессом, в котором мюоны меняют свой вкус, превращаясь в электронные нейтрино или тау-нейтрино - в зависимости от обстоятельств. Кроме того, все три лептона и их нейтрино имеют ассоциированную античастицу (антилептон).

Для каждого антилептоны имеют одинаковую массу, но все остальные свойства обращены вспять. Эти пары состоят из электронов / позитронов, мюонов / антимуонов, тау / антито, электронных нейтрино / электронных антинейтрино, мюонных нейтрино / муановых антинейтрино и тау нейтрино / тау антинейтрино.

Настоящая стандартная модель предполагает, что существует не более трех типов (то есть «поколений») лептонов с соответствующими им нейтрино. Это согласуется с экспериментальными данными, которые пытаются смоделировать процесс нуклеосинтеза после Большого взрыва, где существование более трех лептонов повлияло бы на обилие гелия в ранней Вселенной.

Свойства:

Все лептоны обладают отрицательным зарядом. Они также обладают собственным вращением в форме их спина, что означает, что электроны с электрическим зарядом, то есть «заряженные лептоны», будут генерировать магнитные поля. Они способны взаимодействовать с другим веществом только через слабые электромагнитные силы. В конечном счете, их заряд определяет силу этих взаимодействий, а также силу их электрического поля и то, как они реагируют на внешние электрические или магнитные поля.

Однако никто не способен взаимодействовать с материей через сильные силы. В стандартной модели каждый лептон начинается без собственной массы. Заряженные лептоны получают эффективную массу благодаря взаимодействию с полем Хиггса, в то время как нейтрино либо остаются безмассовыми, либо имеют очень малые массы.

История обучения:

Первым идентифицированным лептоном был электрон, который был обнаружен британским физиком Дж.Дж. Томсон и его коллеги в 1897 году провели серию экспериментов с электронно-лучевой трубкой. Следующие открытия были сделаны в 1930-х годах, что привело к созданию новой классификации для слабо взаимодействующих частиц, похожих на электроны.

Первое открытие было сделано австрийско-швейцарским физиком Вольфгангом Паули в 1930 году, который предложил существование электронного нейтрино, чтобы выяснить, каким образом бета-распад противоречит закону сохранения энергии и законам движения Ньютона (в частности, сохранению Импульс и сохранение углового момента).

Позитрон и мюон были открыты Карлом Д. Андерсом в 1932 и 1936 годах соответственно. Из-за массы мюона его изначально приняли за мезон. Но из-за его поведения (которое напоминало поведение электрона) и того факта, что он не подвергался сильному взаимодействию, мюон был реклассифицирован. Наряду с электроном и электронным нейтрино, он стал частью новой группы частиц, известных как «лептоны».

В 1962 году команда американских физиков, состоящая из Леона М. Ледермана, Мелвина Шварца и Джека Стейнбергера, смогла обнаружить взаимодействия с мюонным нейтрино, таким образом, показав, что существует более одного типа нейтрино. В то же время физики-теоретики постулировали существование многих других разновидностей нейтрино, что в конечном итоге было подтверждено экспериментально.

Частица тау появилась в 1970-х годах благодаря экспериментам, проведенным лауреатом Нобелевской премии физиком Мартином Льюисом Перлом и его коллегами из Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Доказательства связанного с ней нейтрино последовали благодаря изучению распада тау, который показал недостающую энергию и импульс, аналогичные отсутствующей энергии и импульсу, вызванным бета-распадом электронов.

В 2000 году тау-нейтрино наблюдалось непосредственно благодаря эксперименту NU Tau (DONUT) в Фермилаб. Это будет последняя частица Стандартной модели, которая будет наблюдаться до 2012 года, когда ЦЕРН объявил, что обнаружил частицу, которая, вероятно, была долгожданным бозоном Хиггса.

Сегодня есть некоторые физики элементарных частиц, которые считают, что есть лептоны, которые еще не найдены. Эти частицы «четвертого поколения», если они действительно реальны, будут существовать за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц и, вероятно, будут взаимодействовать с веществом еще более экзотическими способами.

Мы написали много интересных статей о лептонах и субатомных частицах здесь, в журнале Space. Вот что такое субатомные частицы? Что такое барионы ?, Первые столкновения на LHC, Обнаружены две новые субатомные частицы, и физики, возможно, просто возможно, подтверждают возможное открытие 5-й силы природы.

Для получения дополнительной информации Центр виртуальных посетителей SLAC имеет хорошее представление о лептонах и обязательно ознакомьтесь с обзором физики частиц, проведенным Группой данных частиц (PDG).

В Astronomy Cast также есть эпизоды на эту тему. Вот Эпизод 106: Поиск Теории Всего и Эпизод 393: Стандартная Модель - Лептоны и Кварки.

Источники: