Leptón

En física de partícula, un leptón é unha partícula elemental de spin medio enteiro (spin ​1⁄2) que non experimenta interacción forte. Existen dúas clases principais de leptóns, leptóns con carga, e leptóns neutros (coñecidos como neutrinos). Os leptóns con carga poden combinarse con outras partículas para formar diversas partículas compostas como átomos e positronio, mentres os neutrinos é moi débil e polo tanto difícil de observar. O leptón máis coñecido é o electrón.

Hai seis tipos de leptóns, coñecidos como sabores, agrupados en tres xeracións. A primeira xeración leptónica (tamén chamada leptóns electrónicos, comprenden o electrón (e⁻) e o neutrino electrónico (ν_e); a segundo son os leptóns muónicos, comprendendo o muón (μ⁻) e o neutrino muónico (ν_μ); e a terceira son os leptóns tauónicos, comprendendo o tau (τ₋) e o neutrino tauónico (ν_τ). Os electróns teñen a menor masa de todos os leptóns cargados. O máis pesados muóns tauónicos poden cambiar rápido a electróns e neutrinos por un proceso de decaemento: a transformación desde un estado de masa máis alto a un estado de masa máis baixo. Os electróns son estábeis e os leptóns cargados máis comúns no universo, mentres que muóns e taus só poden ser producidos en colisións de alta enerxía (como as que implican raios cósmicos e as levadas a cabo en aceleradores de partículas).

Os leptóns teñen variadas propiedades intrínsecas, incluíndo carga eléctrica, spin, e masa. A diferenza dos quarks, non sofren a interacción forte, pero están suxeitos ás outras tres interaccións fundamentais: gravitación, interacción débil, e electromagnetismo, sendo esta última proporcional á carga, e polo tanto cero para os electricamente neutros neutrinos.

Para cada sabor leptónico, hai un tipo correspondente de antipartícula, coñecida como antileptón, que difire do leptón só en que algunhas das súas propiedades teñen igual magnitude pero con signo oposto. Segundo algunhas teorías, os neutrinos poderían ser as súas propias antipartículas, estando na actualidade sen confirmar.

O primeiro leptón cargado, o electrón, foi teorizado a metade do século XIX por varios científicos e foi descuberto en 1897 por J. J. Thomson. O seguinte leptón en ser observado foi o muón, descuberto por Carl D. Anderson en 1936, e foi clasificado naquel tempo como mesón. Despois de ser investigado, viuse que o muón non tiña as propiedades esperadas dun mesón, senón que se comportaba como un electrón, só que con masa maior. Até 1947 non se propuxo o concepto de "leptóns" como familia de partículas. O primeiro neutrino, o neutrino electrónico, foi proposto por Wolfgang Pauli en 1930 para explicar algunhas características do decaemento beta. O primeiro neutrino foi observado no Cowan–Reines neutrino experiment, dirixido por Clyde Cowan e Frederick Reines en 1956. O neutrino muónico foi descuberto en 1962 por Leon M. Lederman, Melvin Schwartz, e Jack Steinberger, e o tau, entre 1974 e 1977 por Martin Lewis Perl e os seus colegas no SLAC e o Lawrence Berkeley Laboratorio Nacional. O neutrino tauónico eludiu o seu descubrimento até xullo do 2000, cando a colaboración DONUT anunciou o seu descubrimento no Fermilab.

Os leptóns son unha parte importante do Modelo Estándar. Os electróns son un dos compoñentes dos átomos, xunto con protóns e neutróns. Tamén poden ser sintetizados átomos exóticos con muóns e taus en vez dos electróns, así como partículas lepton–antilepton partículas como o positronio.

Etimoloxía

O nome leptón vén do grego λεπτός -"leptós", fino, pequeno, delgado- (neutro nominativo/acusativo singular: λεπτός leptón); a forma comprobada máis temperá da palabra é o e o grego micénico 𐀩𐀡𐀵, re-po-to, escrito en simboloxía silábica Lineal B. Lepton foi primeiro usado por físico Léon Rosenfeld en 1948:

Seguindo unha suxestión do Prof. C. Møller, adopto—de xeito semellante a "nucleón"—a denominación "leptón" (de λεπτός, pequeno, delgado, delicado) para denotar unha partícula de masa pequena.

A etimoloxía implica de xeito incorrecto que todo leptón é de masa pequena. Cando Rosenfeld lles deu nome, os únicos leptóns coñecidos eran electróns e muóns, cuxas masas son de feito pequeno comparado cos nucleóns—a masa dun electrón (0,511 MeV/c²) e a masa dun muón (cun valor de 105,7 MeV/c²) son fraccións da masa do máis "pesado" protón (938,3 MeV/c²). Con todo, a masa do tau (descuberto a mediados dos 1970) (1777 MeV/c²) é case dúas veces a do protón e sobre 3500 veces a do electrón.

Historia

Un muón muta a un neutrino muónico por emisión dun bosón W⁻. O W⁻ decae logo a un electrón e un neutrino electrónico.

Nomenclatura leptónica

Nome da partícula	Nome da antipartícula
Electrón	Antielectron Positron
Neutrino electrónico	Anti neutrino electrónico
Muón Leptón mu Mu	Antimuón
Neutrino muónico	Antineutrino muónico
Tauóon Leptón tau Tau	Antitauón
Neutrino tauónico	Antineutrino tauónico

O primeiro lepton identificado foi o electrón, descuberto por J.J. Thomson e o seu equipo de físicos en 1897. No 1930, Wolfgang Pauli postulou o 'electrón neutrino' para preservar conservación de enerxía, conservación da cantiade de movemento, e conservación do momento angular no decaemento beta. Pauli teorizou que unha partícula non detectada levábase a diferenza entre a enerxía, cantidade de movemento e momento angular das partículas iniciais e finais observadas. O electrón neutrino foi chamado sinxelamente neutrino, sen coñecer aíndaque existían diferentes neutrinos (ou xeracións "diferentes").

Case 40 anos tras o descubrimento do electrón, foi descuberto o muón por Carl D. Anderson en 1936. Debido á súa masa, foi inicialmente categorizado como mesón. Máis tarde foi claro que o muón era moito máis semellante ao electrón que ós mesóns, pois non experimenta a interacción forte, e por isto o muón foi reclasificado: electróns, muóns, e o neutrino electrónico foron agrupados nun grupo novo de partículas—os leptons. En 1962, Leon M. Lederman, Melvin Schwartz, e Jack Steinberger amosaron que existe máis que un tipo de neutrinos, coa primeira detección do neutrino muónico, o que lles valeu o Premio Nobel en 1988, aínda que por entón xa se teorizaran os diferentes sabores de neutrinos.

O tau foi primeiro detectado nunha serie de experimentos entre 1974 e 1977 por Martin Lewis Perl cos seus colegas no grupo LBL do SLAC. Como o electrón e o muón, tamén se esperou para ter un neutrino asociado. A primeira evidencia para os neutrinos tau veu da observación da "perda" de enerxía e momento no decaemento tau, análogo ó sucedido no decaemento beta que levou ó descubrimento do neutrino electrónico. A primeira detección das interaccións do neutrino tau foi anunciada en 2000 pola colaboración DONUT en Fermilab, facéndoo a partícula máis tardía en ser observada do Modelo Estándar, a parte do bosón Higgs, o cal foi descuberto en 2012.

A pesar de que todos os datos actuais son consistentes con tres xeracións de leptóns, algúns físicos de partículas están buscando unha cuarta xeración. O límite máis baixo actual na masa de tal cuarto leptón cargado é 100,8 GeV/c², mentres o seu neutrino asociado tería unha masa de polo menos 45,0 GeV/c².

Propiedades

Spin e quiralidade

Helicidades levóxira e destróxira

Os leptons son partículas de spin ​1⁄2. Por iso, teorema que asigna unha estatística segundo o spin implica que son fermions e así que están suxeitos ao Principio de exclusión de Pauli: Non pode haber dous leptóns da mesma especie no mesmo estado. Ademais, significa que un leptón pode ter só dous posíbel estados de spin, arriba ou abaixo.

Unha propiedade estreitamente relacionada é a quiralidade, á súa vez é estreitamente relacionada a unha propiedade de visualización máis doada, a helicidade. A helicidade dunha partícula é a dirección do seu spin en relación ao seu momento; as partículas con spin na mesma dirección que o seu momento son chamadas destras e o teñen en sentido contrario son chamadas zurdas. Cando unha partícula non ten masa, a dirección do seu momento é independente en relación ao seu spin, mentres para partículas masivas é posíbel aplicarlle á partícula unha transformación de Lorentz mantendo a helicidade. a quiralidade é unha propiedade técnica (definida polo comportamento da súa transformación baixo o grupo de Poincaré) que está de acordo coa helicidade para as partículas sen masa (aproximadamente) e ben definida para partículas masivas.

En moitas teorías de campo cuánticas, como a electrodinámica cuántica e a cromodinámica cuántica, os fermións destróxiros e levóxiros son idénticos. Non obstante, a interacción débil do Modelo Estándar trata os fermións levóxiros e destróxiros como asimétricos: só os levóxiros (e os anti-fermions destróxiros) participan na interacción débil. Isto é un exemplo de violación da paridade explicitamente escrito no modelo. Na literatura, os campos levóxiros son a miúdo denotados por un L maiúsculo subscrito (así, o electrón: e_L⁻) e os campos destróxiros son denotados por un R maiúsculo subscrito (así, o positrón e_R⁺).

Os neutrinos destróxiros e levóxiros non teñen non interacción posíbel con outras partículas (neutrinos estériles) e polo tanto non son parte funcional do Modelo Estándar, a pesar de que a súa exclusión non é un requisito estrito; ás veces son listados en táboas de partículas para resaltar que non terían ningunha función activa se fosen incluídos no modelo. Aínda que as partícula electricamente cargadas (electrón, muón, tau) non están asociadas de xeito específico á interacción débil, aínda poden interactuar de xeito eléctrico, e por iso aínda participan na forza combinadao electrodébil, a pesar de que con intensidades diferentes (Y_W).

Interacción electromagnética

Interacción leptón-fotón

Un das propiedades máis prominentes dos leptóns é a súa carga eléctrica, Q. A carga eléctrica determina a forza das súas interaccións electromagnéticas. Determina a forza do campo eléctrico xerado pola partícula (vía lei de Coulomb) e como de intenso reacciona a partícula cun campo eléctrico ou magnético externo (forza de Lorentz). Cada xeración contén un leptón con Q = −e (convención para expresar a carga da partícula en unidades da carga elemental) e un leptón con carga eléctrrica cero. O leptón cargado é chamado en seral así, mentres o leptón neutro é chamado neutrino. Por exemplo, a primeira xeración leptónica consiste dun electrón e⁻ con carga eléctrica negativa e o electricamente neutro neutrino νe.

Na lingua da teoría de campo cuántico, a interacción electromagnética dos leptóns cargados é expresada polo feito de que as partículas interactúan co quanto do campo electromagnético, o fotón. O esquema de Feynman da interacción electrón-fotón é amosada á beira.

A causa de que os leptóns posúen unha rotación intrínseca en forma de spin, os leptóns cargados xeran un campo magnético. O momento do seu dipolo magnético μ ven dado por

$\mu =g{\frac {Q\hbar }{4m}},$

Onde m é a masa do leptón e g é o chamado factor g para o leptón. A aproximación mecanocuántica de primeiro orde predí que o factor g é 2 para todos os leptóns. Con todo, efectos cuánticos de orde superior causados por bucles nos diagramas de Feynman introducen correccións a este valor. Estas correccións, referidas como o momento dipolar magnético anómalo, son moi sensíbeis aos detalles dun modelo de teoría do campo cuántico, co que proporcionan a oportunidade para probas de precisión do modelo estándar. Os valores teóricos e os medidos para o o momento dipolar magnético anómalo teñen un acordo de oito díxitos significativos. O experimento Muón g-2 tenta establecer a veracidade da discrepancia do valor 2 para o caso dos muóns.

Interacción débil

As interaccións débiles da primeira xeración de leptóns.

No Modelo Estándar, o leptón levóxiro cargado e o neutrino levóxiro forman un dobrete (ν_eL, e⁻_L) que se transforma na representación spinor representación (T = ​1⁄2) do isospin débil con simetría gauge SU(2). Isto significa que estas partículas son autowstados da proxección T₃ do isospin proxección con autovalores ​1⁄2 e −​1⁄2 respectivamente. Mentres tanto, o leptón destróxiro cargado transfórmase como un isospin escalar débil (T = 0) e así non participa na interacción débil, aínda que non hai evidencia de que exista.

O mecanismo de Higgs recombina os campos gauge do isospin débil de simetría SU(2) e a hipercarga débil de simetría U(1) en tres bosóns vectoriais masivos (W+, W−, Z0) mediadores da interacción débil e un bosón vector sen masa, o fotón, mediador na interacción electromagnética. A carga eléctrica Q pode ser calculada a partir da proxección isospin T3 e a hypercarga débil YW mediante a fórmula Gell-Mann–Nishijima,

Q = T3 + ½ YW

Para recuperar as cargas eléctricos observados para todas as partículas, o dobrete isospín débil levóxiro (νeL, e−L) ten que ter YW = −1, mentres o isospín escalar destróxiro e−R ten que ter YW = −2. A interacción débil dos leptóns cos bosóns vectoriais masivos é amosada na figura á destra.

Masa

No Modelo Estándar, cada leptón comeza sen masa intrínseca. Os leptóns cargados (p.ex. o electrón, muón, e tau) obteñen unha masa eficaz por interacción co campo de Higgs, mais os neutrinos ficas sen masa. Por razóns técnicas, a falta de masa dos neutrinos implica que non hai que mesturar as diferentes xeracións de leptóns cargados como ocorre cos quark. Isto está en total acordo coas observacións experimentais actuais.

Con todo, é sabido por experimentos—a maioría da observación das oscilacións dos neutrinos—que osneutrinos teñen de feito unha masa moi pequena, probabelmente menos que 2 eV/c2. Isto implica a existencia de física non reflectida no Modelo Estándar. A extrensión do modelo máis favorable na actualidade é o chamado mecanismo seesaw, o cal explicaría tanto o por que os neutrinos levóxiros son tan lixeiros en comparación cos correspondentes leptóns cargados como o por que ton temos visto aínda neutrinos destróxiros.

Números leptónicos

Os membros de cada xeración do dobrete isospín débil teñen asignados números leptónicos que se conservan baixo o Modelo Estándar. Electróns e neutrinos electrónicos teñen un número electrónico Le = 1, mentres os muóns e os neutrinos muónicos teñen un número muónico Lμ = 1, e as partículas tau e e os neutrinos tauónicos teñen un número tauónico Lτ = 1. Os antileptóns teñen a súa xeración respectiva de números leptónicos igual a −1.

A conservación de números leptónicos significa que o número de leptóns do mesmos tipo permanece constante ó interactuar as partículas. Isto implica que leptóns e antileptóns teñen que ser creado en pares dunha única xeración. Por exemplo, os procesos seguintes son permitidos baixo a conservación dos números leptónicos:

e− + e+ → γ + γ,

τ− + τ+ → Z0 + Z0,

Mais non estes:

γ → e− + μ+,

W− → e− + ντ,

Z0 → μ− + τ+.

Con todo, é sabido que as oscilacións dos neutrinos violan a conservación dos números leptónicos individuais. Tal violación é considerada a evidencia de cargo para a física máis aló o Modelo Estándar. Unha lei de conservación moito máis forte a lei de conservación do número total de leptons (L), o que se conserva mesmo no caso de oscilacións dos neutrinos, mais aínda é violada unha pequena cantidade pola anomalía quiral.

Universalidade

Os acoplamentos de leptóns ós bosóns gauge é independente do sabor: as interaccións entre leptóns e bosóns gauge son as mesmas para calquera leptón. Esta propiedade é chamada universalidade leptónica e foi probada en medidas dos tempos de vida do tau e muón e das larguras de decadencia parcial dos bosóns Z particularmente nos experimentos no colisionador linear de Stanford (SLC) e no Gran colisionador electrón-positrón (LEP).

A taxa de desintegración ($\Gamma$) dos muóns polo proceso μ− → e− + νe + νμ é aproximadamente dado por unha expresión da forma

$\Gamma \left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)=K_{1}G_{F}^{2}m_{\mu }^{5},$

Onde K1 é unha constante, e GF é a constante de acoplamento de Fermi. A taxa de desintegración das partículas tau polo proceso τ− → e− + νe + ντ é dado por unha expresión da mesma forma

$\Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)=K_{2}G_{F}^{2}m_{\tau }^{5},$

Onde K2 é constante. a universalidade Muón–Tauón implica que K1 = K2. Doutra banda, a universalidade electrón–muón implica

$\Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)=\Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow \mu ^{-}+{\bar {\nu _{\mu }}}+\nu _{\tau }\right).$

Isto explica por que os coeficientes para o modo electrónico (17,85 %) e muónico (17,36 %) de desintegración de tau son iguais (dentro do erro asociado ás medidas).

A universalidade tamén conta para a proporción de vidas do muón e tau. A vida $\mathrm {T} _{\ell }$ dun lepton (con $\ell ={\text{“}}\tau {\text{” ou “}}\mu {\text{”}}$) está relacionado coa taxa de desintegración por

,$\mathrm {T} _{\ell }={\frac {B\left(\ell ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\ell }\right)}{\Gamma \left(\ell ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\ell }\right)}}\,$

Onde B(x → y) e $\Gamma$(x → y) denotan as propocións de cada xeito de desintegración e o largo de resonancia do proceso x → y .

A proporción de vidas medias de tau e muón ven entón dada por

.${\frac {\mathrm {T} _{\tau }}{\mathrm {T} _{\mu }}}={\frac {B\left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)}{B\left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)}}\left({\frac {m_{\mu }}{m_{\tau }}}\right)^{5}\,$

Usando os valores de 2008 da Revista de Física de Partículas para as propocións entre xeitos de desintegración de muóns e tau leva a aunha relación entre vidas medias de 1,29×10−7, comparábel á relación medida, de 1.32×10−7. A diferenza é debido a que K1 e K2 non son de feito constantes: dependen da masa dos leptóns.

Probas recentes de da universalidade na desintegración nos mesóns B, levadas a cabo polos experimentos LHCb, BaBar e Belle, amosou desviacións constantes das predicións do Modelo Estándar. Aínda así, a significancia estatística sistemática combinada non é aínda abonda como para afirmar ter observado unha física nova.

Táboa de leptóns

Propiedades dos leptóns

Partícula / Antipartícula	Símbolo	Carga Q (e)	Spin J	Le	Lμ	Lτ	Masa (MeV/c²)	Vida media (segundos)
Electrón	e−	−1	1⁄2	+1	0	0	0,510 998 910 (±13)	Estábel
Positrón	e+	+1		−1
Muón	μ−	−1	1⁄2	0	+1	0	105,658 366 8 (±38)	2.197 019×10−6 (±21)
Antimuón	μ+	+1			−1
Tau	τ−	−1	1⁄2	0	0	+1	1 776,84 (±,17)	2.906×10−13 (±.010)
Antitau	τ+	+1				−1
Neutrino electrónico	νe	0	1⁄2	+1	0	0	< 0,000 002 2	Descoñecida
Antineutrino electrónico	νe			−1
Neutrino muónico	νμ	0	1⁄2	0	+1	0	< 0,17	Descoñecida
Antineutrino muónico	νμ				−1
Neutrino tauónico	ντ	0	1⁄2	0	0	+1	< 15,5	Descoñecida
Antineutrino tauónico	ντ					−1

Véxase tamén

Bibliografía

• (PDF) 667. Bibcode:2008PhLB..667....1A. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018 http://scipp.ucsc.edu/%7Ehaber/pubs/Review_of_Particle_Physics_2014.pdf. 
• I. V. Anicin (2005). "The Neutrino: Its Past, Present and Future". arXiv:physics/0503172.
• 81. Bibcode:1998PhRvL..81.1562F. arXiv:hep-ex/9807003. doi:10.1103/PhysRevLett.81.1562. 
• 504. Bibcode:2001PhLB..504..218D. arXiv:hep-ex/0012035. doi:10.1016/S0370-2693(01)00307-0. 
• . ISBN 978-0-471-92358-9. 
• (PDF) 51. Bibcode:1937PhRv...51..884N. doi:10.1103/PhysRev.51.884 https://authors.library.caltech.edu/8618/1/NEDpr37.pdf. 
• http://cupp.oulu.fi/neutrino/nd-mass.html. 
• 35. Bibcode:1975PhRvL..35.1489P. doi:10.1103/PhysRevLett.35.1489. 
• Introduction to Quantum Field Theory. ISBN 978-0-201-50397-5. 
• 4 https://web.archive.org/web/20090531073123/http://www.symmetrymagazine.org/cms/?pid=1000450. Arquivado dende o orixinal o 31 de maio de 2009. Consultado o 17 de outubro de 2019. 
• L. Rosenfeld (1948). Nuclear Forces. Interscience Publishers. p. xvii.
• "Rotational Invariance and Angular Momentum". Principles of Quantum Mechanics. ISBN 978-0-306-44790-7. 
• The Discovery of Subatomic Particles. ISBN 978-0-521-82351-7. 
• Astronomy Through the Ages: The Story of the Human Attempt to Understand the UniverseISBN=978-0-7484-0748-4. 

Outros artigos

• Lista de partículas

Ligazóns externas

• Grupo de Dato da partícula homepage. O PDG compila información con autoridade en propiedades de partícula.
• Leptons, un resumo de leptons desde Hyperphysics.

Partículas fundamentais en Física (lista, táboa)
Fermións						Bosóns de Gauge
Quarks			Leptóns			Bosóns W e Z	Fotón	Gluón
Arriba	Encantado	Cume	Electrón	Muón	Tau (tauón)	Bosóns hipotéticos
Abaixo	Estraño	Fondo	e-neutrino	μ-neutrino	τ-neutrino	Gravitón    Bosón de Higgs
Outras clases, partículas compostas e outras
barión - gravitino - hadrón - kaón - mesón - neutrón - pión - positrón - protón
Termos relacionados
antimateria - partícula subatómica