Бөлшектер физикасы: Лептон түрлері

Кіріспе

Элементарлық бөлшектер класы

Бөлшек физикасында лептон – күшті өзара әрекеттесуге түспейтін, жартылай бүтін спинге (спин 1/2) ие элементарлық бөлшек. Лептондардың екі негізгі класы бар: зарядталған лептондар (электронға ұқсас лептондар немесе мюондар), олар электрон, мюон және тауонды қамтиды, және бейтарап лептондар, жақсырақ нейтринолар деп танылады. Зарядталған лептондар басқа бөлшектермен бірігіп, атомдар және позитроний сияқты әртүрлі күрделі бөлшектерді құрай алады, ал нейтринолар өте сирек әрекеттеседі де, сондықтан оларды сирек байқауға болады. Барлық лептондардың ең жақсы белгілісі – электрон. Лептондардың алты түрі бар, олар «дәмдер» деп аталады және үш буынға топтастырылған. Бірінші буын лептондары, сондай-ақ электрондық лептондар, электрон мен электрондық нейтринодан тұрады; екінші буын – мюондық лептондар, мюон мен мюондық нейтринодан; ал үшінші буын – таулық лептондар, тау мен таулық нейтринодан тұрады. Электрондардың зарядталған лептондардың арасындағы ең төменгі массасы бар. Ауыр мюондар мен таулар бөлшектердің ыдырау процесі арқылы, яғни жоғары массалық күйден төмен массалық күйге өту арқылы электрондар мен нейтриноларға айналады. Сондықтан электрондар тұрақты және ғаламдағы ең көп таралған зарядталған лептон, ал мюондар мен таулар жоғары энергиялы соқтығысуларда ғана (мысалы, ғарыш сәулелерімен және бөлшектер үдеткіштерінде жүргізілетін соқтығысуларда) пайда болады. Лептондардың электр заряды, спин және масса сияқты әртүрлі ішкі қасиеттері бар. Дегенмен, кварктардан айырмашылығы, лептондар күшті өзара әрекеттесуге түспейді, бірақ гравитация, әлсіз өзара әрекеттесу және электромагнетизм сияқты үш негізгі өзара әрекеттесуге түседі, соңғысы зарядқа пропорционалды және электрлік бейтарап нейтринолар үшін нөлге тең. Әр лептон дәміне сәйкес антибөлшек түрі бар, ол антилептон деп аталады және лептондан тек кейбір қасиеттерінің шамасымен, бірақ таңбасымен өзгешеленеді. Кейбір теорияларға сәйкес, нейтринолар өздерінің антибөлшегі болуы мүмкін. Қазіргі уақытта мұның орын алатыны белгісіз. Бірінші зарядталған лептон – электрон – 19 ғасырдың ортасында бірнеше ғалымдар тарапынан теорияландырылған және 1897 жылы Дж. Дж. Томсон ашқан. Келесі ашылған лептон – 1936 жылы Карл Д. Андерсон тапқан мюон, ол сол кезде мезон ретінде жіктеліпті. Зерттеулер көрсеткендей, мюонның мезонға тән қасиеттері болмаған, керісінше, массасы жоғары электрон сияқты әрекет еткен. «Лептондар» ұғымы бөлшектердің бір отбасы ретінде 1947 жылға дейін ұсынылмады. Мюондық нейтрино 1962 жылы Леон М. Ледерман, Мелвин Шварц және Джек Штайнбергер тапқан, ал тау 1974 және 1977 жылдар аралығында Мартин Льюис Перл және оның Стэнфорд сызықтық үдеткіш орталығы мен Лоуренс Беркли ұлттық зертханасының әріптестері тапқан. Таулық нейтрино 2000 жылдың шілдесіне дейін, Фермилабтың DONUT коллаборациясы оның табылуын жариялағанға дейін табылмай келді. Лептондар Стандартты модельдің маңызды бөлігі болып табылады. Электрондар – атомдардың құрамына кіретін, протондар мен нейтрондармен қатарғы компоненттердің бірі. Электронның орнына мюондар мен таулар бар экзотикалық атомдарды, сондай-ақ позитроний сияқты лептон-антилептон бөлшектерін жасауға болады.

In particle physics, a lepton is an elementary particle of half integer spin (spin 1/2) that does not undergo strong interactions. Two main classes of leptons exist: charged leptons (also known as the electron like leptons or muons), including the electron, muon, and tauon, and neutral leptons, better known as neutrinos. Charged leptons can combine with other particles to form various composite particles such as atoms and positronium, while neutrinos rarely interact with anything, and are consequently rarely observed. The best known of all leptons is the electron. There are six types of leptons, known as flavours, grouped in three generations. The first generation leptons, also called electronic leptons, comprise the electron and the electron neutrino ; the second are the muonic leptons, comprising the muon and the muon neutrino ; and the third are the tauonic leptons, comprising the tau and the tau neutrino Electrons have the least mass of all the charged leptons. The heavier muons and taus will rapidly change into electrons and neutrinos through a process of particle decay: the transformation from a higher mass state to a lower mass state. Thus electrons are stable and the most common charged lepton in the universe, whereas muons and taus can only be produced in high energy collisions (such as those involving cosmic rays and those carried out in particle accelerators). Leptons have various intrinsic properties, including electric charge, spin, and mass. Unlike quarks, however, leptons are not subject to the strong interaction, but they are subject to the other three fundamental interactions: gravitation, the weak interaction, and to electromagnetism, of which the latter is proportional to charge, and is thus zero for the electrically neutral neutrinos. For every lepton flavor, there is a corresponding type of antiparticle, known as an antilepton, that differs from the lepton only in that some of its properties have equal magnitude but opposite sign. According to certain theories, neutrinos may be their own antiparticle. It is not currently known whether this is the case. The first charged lepton, the electron, was theorized in the mid 19th century by several scientists and was discovered in 1897 by J. J. Thomson. The next lepton to be observed was the muon, discovered by Carl D. Anderson in 1936, which was classified as a meson at the time. After investigation, it was realized that the muon did not have the expected properties of a meson, but rather behaved like an electron, only with higher mass. It took until 1947 for the concept of "leptons" as a family of particles to be proposed. The muon neutrino was discovered in 1962 by Leon M. Lederman, Melvin Schwartz, and Jack Steinberger, and the tau discovered between 1974 and 1977 by Martin Lewis Perl and his colleagues from the Stanford Linear Accelerator Center and Lawrence Berkeley National Laboratory. The tau neutrino remained elusive until July 2000, when the DONUT collaboration from Fermilab announced its discovery. Leptons are an important part of the Standard Model. Electrons are one of the components of atoms, alongside protons and neutrons. Exotic atoms with muons and taus instead of electrons can also be synthesized, as well as lepton–antilepton particles such as positronium.

Этимология

Лептондар атауы грек тілінен шыққан "λεπτός leptós" ("наздық, кішкентай, жұқа" – орталық жатыс/айыптаушы дара формасы: λεπτόν leptón); сөздің ең ерте куәландырылған түрі – микендік грек тіліндегі re po to, сызықтық B әрпімен жазылған. Лептонды алғаш рет 1948 жылы физик Леон Розенфельд қолданды:

Профессор К. Мюллердің ұсынысымен, "нуклон" атауына серіктес ретінде, мен "лептон" (λεπτός, кішкентай, жұқа, нәзік) атауын қабылдадым – шағын массалы бөлшекті атау үшін. Розенфельд осы атауды сол кездегі жалғыз белгілі лептондар – электрондар мен мюондардың массасы нуклондарға қарағанда кішкентай болғандықтан таңдады. Электронның массасы (0,511) және мюонның массасы (105,7 мәнімен) "салмақты" протонның (938,3) массасының үлесін құрайды. Дегенмен, таудың массасы (1970 жылдардың ортасында ашылған) (1777) протоннан шамамен екі есеге жуық, ал электрондан 3500 есе салмақты.

Спин және хиралдылық

Лептондар – спин бөлшектері. Спин-статистика теоремасы олардың фермион екенін және Паулидің тыйым салу принципіне бағынышты екенін көрсетеді: бір түрдің екі лептоны бір уақытта бірдей күйде бола алмайды. Бұдан әрі, бұл лептонда спиннің тек екі мүмкін күйі болуы мүмкін, атап айтқанда, жоғары немесе төмен. Тығыз байланысты қасиет – хиралдылық, ол өз кезегінде гелициттілік деп аталатын көзбен көрінетін қасиетпен байланысты. Бөлшектің гелициттілігі – оның импульсіне қатысты спинінің бағыты; импульсімен бір бағытта спині бар бөлшектер оң қолды деп аталады, ал кері бағыттағылар – сол қолды. Бөлшек массасыз болса, оның импульсінің спинге қатысты бағыты барлық анықтамалық жүйелерде бірдей болады, ал массалы бөлшектер үшін жылдам қозғалатын анықтамалық жүйе таңдап, бөлшектің алдын озуға болады; жылдам жүйеде гелициттілік өзгереді. Хиралдылық – Пуанкаре тобы бойынша трансформациялық қасиеттері арқылы анықталатын техникалық қасиет, ол анықтамалық жүйеге байланысты өзгермейді. Ол массасыз бөлшектер үшін гелициттілікпен сәйкес келу үшін жасалған және массасы бар бөлшектер үшін де жақсы анықталған. Көптеген кванттық өріс теорияларында, мысалы, кванттық электродинамика мен кванттық хромодинамикада, сол және оң қолды фермиондар бірдей. Алайда, Стандартты модельдің әлсіз өзара әрекеттесуі сол және оң қолды фермиондарға әр түрлі қарайды: әлсіз өзара әрекеттесуге тек сол қолды фермиондар (және оң қолды антифермиондар) қатысады. Бұл модельге тікелей енгізілген паритет бұзуының мысалы. Әдебиетте сол қолды өрістер көбінесе үлкен L әрпімен (мысалы, қалыпты электрон: eL^(−)) және оң қолды өрістер үлкен R әрпімен (мысалы, позитрон eR^(+)) белгіленеді. Оң қолды нейтринолар мен сол қолды антинейтринолардың басқа бөлшектермен өзара әрекеттесуіне мүмкіндік жоқ (стерильді нейтриноларға қараңыз) және сондықтан Стандартты модельдің функционалды бөлігі емес, бірақ оларды алып тастау міндетті емес; олар кейде бөлшектер тізімінде модельге қосылған жағдайда ешқандай белсенді рөл атқара алмайтынын көрсету үшін тізімделеді. Электрлік зарядталған оң қолды бөлшектер (электрон, мюон немесе тау) әлсіз өзара әрекеттесуге қатыспаса да, олар электрлік өзара әрекеттесе алады, сондықтан әртүрлі күшпен (YW) біріктірілген электроәлсіз күшке қатысады.

Leptons are spin particles. The spin statistics theorem thus implies that they are fermions and thus that they are subject to the Pauli exclusion principle: no two leptons of the same species can be in the same state at the same time. Furthermore, it means that a lepton can have only two possible spin states, namely up or down. A closely related property is chirality, which in turn is closely related to a more easily visualized property called helicity. The helicity of a particle is the direction of its spin relative to its momentum; particles with spin in the same direction as their momentum are called right handed and they are otherwise called left handed. When a particle is massless, the direction of its momentum relative to its spin is the same in every reference frame, whereas for massive particles it is possible to 'overtake' the particle by choosing a faster moving reference frame; in the faster frame, the helicity is reversed. Chirality is a technical property, defined through transformation behaviour under the Poincaré group, that does not change with reference frame. It is contrived to agree with helicity for massless particles, and is still well defined for particles with mass. In many quantum field theories, such as quantum electrodynamics and quantum chromodynamics, left and right handed fermions are identical. However, the Standard Model's weak interaction treats left handed and right handed fermions differently: only left handed fermions (and right handed anti fermions) participate in the weak interaction. This is an example of parity violation explicitly written into the model. In the literature, left handed fields are often denoted by a capital L subscript (e. g. the normal electron: eL^(−)) and right handed fields are denoted by a capital R subscript (e. g. a positron eR^(+)). Right handed neutrinos and left handed anti neutrinos have no possible interaction with other particles (see sterile neutrinos) and so are not a functional part of the Standard Model, although their exclusion is not a strict requirement; they are sometimes listed in particle tables to emphasize that they would have no active role if included in the model. Even though electrically charged right handed particles (electron, muon, or tau) do not engage in the weak interaction specifically, they can still interact electrically, and hence still participate in the combined electroweak force, although with different strengths (YW).

Электромагниттік өзара іс-қимыл

Лептондардың ең көрнекті қасиеттерінің бірі – олардың Q электр заряды. Электр заряды олардың электромагниттік өзара әрекеттесуінің күшін анықтайды. Ол бөлшектің электр өрісінің күшін анықтайды (Кулон заңы) және бөлшектің сыртқы электр немесе магнит өрісіне қаншалықты күшті әсер ететінін анықтайды (Лоренц күшін қараңыз). Әрбір буында бір лептон оң электр зарядымен, ал бір лептон нөлдік электр зарядымен болады. Электр заряды бар лептонды көбінесе зарядталған лептон деп атайды, ал бейтарап лептонды нейтрино деп атайды. Мысалы, бірінші буында теріс электр заряды бар электрон және электрлік бейтарап электрон нейтриносы бар. Кванттық өріс теориясы тілінде зарядталған лептондардың электромагниттік өзара әрекеттесуі бөлшектердің электромагниттік өрістің квантымен – фотонмен өзара әрекеттесуі арқылы сипатталады. Оң жақта электрон-фотон өзара әрекеттесуінің Фейнман диаграммасы көрсетілген. Лептондар спин түрінде ішкі айналуға ие болғандықтан, зарядталған лептондар магнит өрісін тудырады. Олардың магниттік дипольдық моменті μ мөлшері келесі формуламен беріледі:

мұнда m – лептондардың массасы, ал g – лептонның «g-факторы» деп аталады. Бірінші реттік кванттық механикалық жуықтау бойынша, g-факторы барлық лептондар үшін 2-ге тең болады деп болжанады. Алайда, Фейнман диаграммаларындағы циклдардың нәтижесінде туындайтын жоғары ретті кванттық эффектілер осы мәнге түзетулер енгізеді. Аномальды магниттік дипольдық момент деп аталатын бұл түзетулер кванттық өріс теориясы моделінің егжей-тегжейіне өте сезімтал және осылайша Стандартты модельдің дәлдігін тексеруге мүмкіндік береді. Электронның аномальды магниттік дипольдық моментінің теориялық және өлшенген мәндері сегіз маңызды цифр шегінде сәйкес келеді. Дегенмен, мюонның нәтижелері мәселелі, Стандартты модель мен эксперимент арасындағы шағын, тұрақты қарама-қайшылыққа нұсқау береді.

Қатысудың әлсіздігі

Бірінші буын лептондарының әлсіз өзара әрекеттесуі. Стандартты модельде сол жақтағы зарядталған лептон және сол жақтағы нейтрино әлсіз изоспиннің SU(2) гаузельдік симметриясының спинорлық бейнелеуіне айналатын дублет құрайды. Бұл, осы бөлшектер изоспин проекциясы T-нің өзіндік күйлері екенін, сәйкесінше және мәндеріне ие екенін білдіреді. Осы уақытта, оң жақтағы зарядталған лептон әлсіз изоспин скаляры ретінде түрленеді және осылайша әлсіз өзара әрекеттесуге қатыспайды, ал оң жақтағы нейтриноның бар екеніне ешқандай дәлел жоқ. Хиггс механизмі әлсіз изоспиннің SU(2) және әлсіз гиперзаряд U(1) симметрияларының гаузельдік өрістерін үш массивті векторлық бозонға (, , ) – әлсіз өзара әрекеттесуді қамтамасыз ететін – және электромагниттік өзара әрекеттесуге жауапты бір массасыз векторлық бозонға, фотонға біріктіреді. Электр заряды Q изоспин проекциясы T және әлсіз гиперзаряд Y арқылы Гелл-Манн – Нишиджима формуласы бойынша есептелуі мүмкін.

Барлық бөлшектер үшін байқалған электр зарядтарын қалпына келтіру үшін сол жақтағы әлсіз изоспинді дублет , ал оң жақтағы изоспинді скаляр мәніне ие болуы керек. Лептондардың массивті әлсіз өзара әрекеттесу векторлық бозондарымен өзара әрекеттесуі оң жақтағы суретте көрсетілген.