Лептоны: элементарные частицы и их поколения

Введение

Класс элементарных частиц

В физике элементарных частиц лептон — это элементарная частица с полуцелым спином (спин 1/2), которая не подвергается сильным взаимодействиям. Существуют два основных класса лептонов: заряженные лептоны (также известные как электрон-подобные лептоны или мюоны), включающие электрон, мюон и тауон, и нейтральные лептоны, более известные как нейтрино. Заряженные лептоны могут объединяться с другими частицами, образуя различные составные частицы, такие как атомы и позитроний, в то время как нейтрино редко взаимодействуют с чем-либо и, следовательно, редко наблюдаются. Самый известный из всех лептонов — электрон. Существует шесть типов лептонов, известных как ароматы, сгруппированных в три поколения. Лептоны первого поколения, также называемые электронными лептонами, состоят из электрона и электронного нейтрино; лептоны второго поколения — это мюонные лептоны, состоящие из мюона и мюонного нейтрино; и лептоны третьего поколения — это тау-лептоны, состоящие из тау и тау-нейтрино. Электроны обладают наименьшей массой среди всех заряженных лептонов. Более тяжелые мюоны и тауоны быстро превращаются в электроны и нейтрино в процессе распада частиц: преобразование из состояния с большей массой в состояние с меньшей массой. Таким образом, электроны стабильны и являются наиболее распространенными заряженными лептонами во Вселенной, в то время как мюоны и тауоны могут быть получены только при высокоэнергетических столкновениях (таких как столкновения 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 другим трем фундаментальным взаимодействиям: гравитации, слабому взаимодействию и электромагнетизму, последнее из которых пропорционально заряду и, следовательно, равно нулю для электрически нейтральных нейтрино. Для каждого аромата лептона существует соответствующий тип античастицы, известный как антилептон, который отличается от лептона только тем, что некоторые его свойства имеют равную величину, но противоположный знак. Согласно некоторым теориям, нейтрино могут быть собственными античастицами. В настоящее время неизвестно, так ли это. Первый заряженный лептон, электрон, был теоретически предсказан в середине XIX века несколькими учеными и был открыт в 1897 году Дж. Дж. Томсоном. Следующим наблюдаемым лептоном был мюон, открытый Карлом Д. Андерсоном в 1936 году, который в то время классифицировался как мезон. После исследования было установлено, что мюон не обладает ожидаемыми свойствами мезона, а скорее ведет себя как электрон, только с большей массой. Концепция «лептонов» как семейства частиц была предложена только в 1947 году. Мюонное нейтрино было открыто в 1962 году Леоном М. Ледерманом, Мелвином Шварцем и Джеком Штайнбергером, а тау-лептон — в период с 1974 по 1977 год Мартином Льюисом Перлом и его коллегами из Стэнфордского линейного ускорителя и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Нейтрино тау оставалось неуловимым до июля 2000 года, когда коллаборация DONUT из Фермилаба объявила о его открытии. Лептоны являются важной частью Стандартной модели. Электроны являются одним из компонентов атомов наряду с протонами и нейтронами. Также могут быть синтезированы экзотические атомы с мюонами и тауонами вместо электронов, а также частицы лептон-антилептон, такие как позитроний.

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

Название лептона происходит от греческого λεπτός (leptós), "тонкий, маленький, изящный" (средний род, именительный/винительный падеж единственного числа: λεπτόν (leptón)); самая ранняя зафиксированная форма слова — микенский греческий 𐀩𐀡𐀵 (re po to), записанный линейным слоговым письмом B. Термин "лептон" впервые использовал физик Леон Розенфельд в 1948 году:

По предложению профессора К. Мёллера, я принимаю — в качестве дополнения к термину "нуклон" — наименование "лептон" (от λεπτός, маленький, тонкий, изящный) для обозначения частицы с малой массой. Розенфельд выбрал это название, поскольку единственными известными в то время лептонами были электроны и мюоны, массы которых малы по сравнению с массами нуклонов — масса электрона (0,511) и масса мюона (со значением 105,7) составляют доли массы "тяжёлого" протона (938,3). Однако масса тау-лептона (открытого в середине 1970-х годов) (1777) почти вдвое превышает массу протона и примерно в 3500 раз больше массы электрона.

Спин и хиральность

Лептоны — это частицы со спином. Теорема о спин-статистике, таким образом, подразумевает, что они являются фермионами и, следовательно, подчиняются принципу исключения Паули: два лептона одного и того же типа не могут находиться в одном и том же состоянии одновременно. Кроме того, это означает, что у лептона может быть только два возможных состояния спина, а именно «вверх» или «вниз». Тесно связанным свойством является хиральность, которая, в свою очередь, тесно связана с более наглядно представляемым свойством, называемым гелицитностью. Гелицитность частицы — это направление её спина относительно её импульса; частицы, спин которых направлен в том же направлении, что и их импульс, называются правосторонними, а в противном случае — левосторонними. Когда частица не имеет массы, направление её импульса относительно спина одинаково во всех системах отсчёта, в то время как для массивных частиц возможно «обогнать» частицу, выбрав более быстродвижущуюся систему отсчёта; в более быстрой системе гелицитность меняется на противоположную. Хиральность — это техническое свойство, определяемое по поведению при преобразованиях в группе Пуанкаре, которое не меняется при смене системы отсчёта. Оно сконструировано таким образом, чтобы соответствовать гелицитности для безмассовых частиц и остаётся хорошо определенным для частиц, обладающих массой. Во многих квантовых теориях поля, таких как квантовая электродинамика и квантовая хромодинамика, левосторонние и правосторонние фермионы идентичны. Однако слабое взаимодействие в Стандартной модели по-разному относится к левосторонним и правосторонним фермионам: в слабом взаимодействии участвуют только левосторонние фермионы (и правосторонние антифермионы). Это пример нарушения чётности, явно заложенный в модель. В литературе левосторонние поля часто обозначаются строчной буквой L в индексе (например, обычный электрон: eL^(−)), а правосторонние поля — строчной буквой R в индексе (например, позитрон eR^(+)). Правосторонние 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 перечисляются в таблицах частиц, чтобы подчеркнуть, что они не будут играть активной роли, если будут включены в модель. Даже если электрически заряженные правосторонние частицы (электрон, мюон или тау) непосредственно не участвуют в слабом взаимодействии, они всё же могут взаимодействовать электрически и, следовательно, всё ещё участвуют в комбинированной электрослабой силе, хотя и с разной интенсивностью (YW).

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).

Электромагнитное взаимодействие

Одним из самых заметных свойств лептонов является их электрический заряд, Q. Электрический заряд определяет силу их электромагнитных взаимодействий. Он определяет силу электрического поля, создаваемого частицей (см. закон Кулона), и то, насколько сильно частица реагирует на внешнее электрическое или магнитное поле (см. силу Лоренца). Каждое поколение содержит один лептон с ненулевым электрическим зарядом и один лептон с нулевым электрическим зарядом. Лептон с электрическим зарядом обычно называют заряженным лептоном, а нейтральный – нейтрино. Например, первое поколение состоит из электрона с отрицательным электрическим зарядом и электрически нейтрального электронного нейтрино.

На языке квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие заряженных лептонов выражается тем, что частицы взаимодействуют с квантом электромагнитного поля – фотоном. Диаграмма Фейнмана взаимодействия электрон-фотон показана справа. Поскольку лептоны обладают внутренним вращением в виде своего спина, заряженные лептоны генерируют магнитное поле. Величина их магнитного дипольного момента μ задается формулой:

где m – масса лептона, а g – так называемый "g-фактор" для лептона. Квантово-механическая аппроксимация первого порядка предсказывает, что g-фактор равен 2 для всех лептонов. Однако квантовые эффекты более высокого порядка, вызванные петлями в диаграммах Фейнмана, вносят поправки к этому значению. Эти поправки, называемые аномальным магнитным дипольным моментом, очень чувствительны к деталям модели квантовой теории поля и, таким образом, предоставляют возможность для прецизионных проверок Стандартной модели. Теоретические и измеренные значения аномального магнитного дипольного момента электрона согласуются в пределах восьми значащих цифр. Результаты для мюона, однако, являются проблематичными, указывая на небольшое, устойчивое расхождение между Стандартной моделью и экспериментом.

Слабое взаимодействие

Слабые взаимодействия лептонов первого поколения. В Стандартной модели левый заряженный лептон и левый нейтрино образуют дублет, преобразующийся в спинорное представление слабой изоспиновой SU(2) калибровочной симметрии. Это означает, что эти частицы являются собственными состояниями проекции изоспина T с собственными значениями +1/2 и -1/2 соответственно. В то же время, правый заряженный лептон преобразуется как слабый изоспиновый скаляр и, следовательно, не участвует в слабом взаимодействии, в то время как существование правого нейтрино не подтверждено экспериментально. Механизм Хиггса объединяет калибровочные поля слабой изоспиновой SU(2) и слабой гиперзарядной U(1) симметрий в три массивных векторных бозона (W+, W-, Z0), опосредующих слабое взаимодействие, и один безмассовый векторный бозон – фотон, ответственный за электромагнитное взаимодействие. Электрический заряд Q можно вычислить из проекции изоспина T и слабого гиперзаряда Y с помощью формулы Гелла-Манна — Нисидзимы.

Для воспроизведения наблюдаемых электрических зарядов для всех частиц, левый слабый изоспиновый дублет должен иметь Y = +1/2, а правый изоспиновый скаляр – Y = 0. Взаимодействие лептонов с массивными векторными бозонами слабого взаимодействия показано на рисунке справа.