CO TO SĄ LEPTYNY?

Send

W XIX i XX wieku fizycy zaczęli zgłębiać naturę materii i energii. W ten sposób szybko zdali sobie sprawę, że zasady, które nimi rządzą, stają się coraz bardziej rozmyte, im głębsze są zasady. Podczas gdy dominowała teoria, że cała materia składa się z niepodzielnych atomów, naukowcy zaczęli zdawać sobie sprawę, że atomy same składają się z jeszcze mniejszych cząstek.

Z tych badań powstał standardowy model fizyki cząstek elementarnych. Według tego modelu cała materia we Wszechświecie składa się z dwóch rodzajów cząstek: hadronów - od których pochodzi Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) - oraz leptonów. Tam, gdzie hadrony składają się z innych cząstek elementarnych (kwarki, antykwarki itp.), Leptyny są cząstkami elementarnymi, które istnieją same z siebie.

Definicja:

Słowo lepton pochodzi od greckiego Leptos, co oznacza „mały”, „w porządku” lub „cienki”. Pierwsze zarejestrowane użycie tego słowa przez fizyka Leona Rosenfelda w jego książceSiły Jądrowe (1948). W książce przypisał użycie tego słowa sugestii duńskiego chemika i fizyka prof. Christiana Mollera.

Termin ten został wybrany w odniesieniu do cząstek o małej masie, ponieważ jedynymi znanymi leptonami w czasach Rosenfelda były miony. Te cząstki elementarne są ponad 200 razy masywniejsze niż elektrony, ale mają tylko około jednej dziewiątej masy protonu. Wraz z kwarkami leptony są podstawowymi elementami budulcowymi materii i dlatego są postrzegane jako „cząstki elementarne”.

Rodzaje leptonów:

Według modelu standardowego istnieje sześć różnych rodzajów leptonów. Należą do nich cząsteczki elektronu, muona i Tau, a także związane z nimi neutrina (tj. Neutrino elektronowe, neutrino mionowe i neutrino tau). Leptony mają ładunek ujemny i wyraźną masę, podczas gdy ich neutrina mają ładunek neutralny.

Elektrony są najlżejsze, o masie 0,000511 gigaelektronowoltów (GeV), podczas gdy Miony mają masę 0,1066 Gev, a cząstki Tau (najcięższe) mają masę 1,777 Gev. Różne odmiany cząstek elementarnych są powszechnie nazywane „smakami”. Chociaż każdy z trzech smaków leptonów jest inny i odrębny (pod względem interakcji z innymi cząsteczkami), nie są one niezmienne.

Neutrino może zmienić swój smak, proces znany jako „oscylacja smaku neutrino”. Może to przybierać różne formy, w tym neutrino słoneczne, neutrino atmosferyczne, reaktor jądrowy lub oscylacje wiązki. We wszystkich zaobserwowanych przypadkach oscylacje zostały potwierdzone przez deficyt liczby tworzonych neutrin.

Jedna zaobserwowana przyczyna ma związek z „rozpadem mionu” (patrz poniżej), procesem, w którym miony zmieniają swój smak i stają się neutrinami elektronowymi lub neutrinami tau - w zależności od okoliczności. Ponadto wszystkie trzy leptony i ich neutrina mają związaną z nimi antycząstkę (antilepton).

Dla każdego z nich antyileptony mają identyczną masę, ale wszystkie pozostałe właściwości są odwrócone. Pary te składają się z elektronu / pozytonu, monu / antymuonu, tau / antitau, neutrina elektronowego / antyneutrina elektronowego, neutrina mionowego / antinuetrino muanowego i neutrino tau / antyneutrino tau.

Obecny model standardowy zakłada, że istnieją nie więcej niż trzy typy (aka. „Generacji”) leptonów z powiązanymi z nimi neutrinami. Jest to zgodne z dowodami eksperymentalnymi, które próbują modelować proces nukleosyntezy po Wielkim Wybuchu, gdzie istnienie więcej niż trzech leptonów wpłynęłoby na obfitość helu we wczesnym Wszechświecie.

Nieruchomości:

Wszystkie leptyny mają ładunek ujemny. Posiadają również wewnętrzny obrót w postaci spinu, co oznacza, że elektrony z ładunkiem elektrycznym - tj. „Naładowanymi leptonami” - wytwarzają pola magnetyczne. Są w stanie oddziaływać z inną materią tylko przez słabe siły elektromagnetyczne. Ostatecznie ich ładunek decyduje o sile tych oddziaływań, a także o sile ich pola elektrycznego i ich reakcji na zewnętrzne pola elektryczne lub magnetyczne.

Żadne z nich nie jest jednak w stanie oddziaływać z materią za pomocą silnych sił. W modelu standardowym każdy lepton zaczyna się bez wewnętrznej masy. Naładowane leptony uzyskują efektywną masę poprzez interakcje z polem Higgsa, podczas gdy neutrina albo pozostają bezmasowe, albo mają bardzo małe masy.

Historia studiów:

Pierwszym zidentyfikowanym leptonem był elektron, który odkrył brytyjski fizyk J.J. Thomson i jego koledzy w 1897 r. Wykorzystali serię eksperymentów z lampami katodowymi. Kolejne odkrycia nastąpiły w latach 30. XX wieku, co doprowadziłoby do stworzenia nowej klasyfikacji słabo oddziałujących cząstek podobnych do elektronów.

Pierwszego odkrycia dokonał austriacko-szwajcarski fizyk Wolfgang Pauli w 1930 r., Który zaproponował istnienie neutrina elektronowego w celu wyjaśnienia, w jaki sposób rozpad beta zaprzecza prawu zachowania energii i prawom ruchu Newtona (w szczególności zachowaniu Pęd i zachowanie momentu pędu).

Pozyton i mion odkryli Carl D. Anders odpowiednio w 1932 i 1936 roku. Ze względu na masę mionu początkowo wzięto go za mezon. Ale ze względu na swoje zachowanie (które przypominało elektron) i fakt, że nie ulegał on silnym interakcjom, mion został przeklasyfikowany. Wraz z elektronem i neutrinem elektronowym stał się częścią nowej grupy cząstek zwanych „leptonami”.

W 1962 r. Zespół amerykańskich fizyków - składający się z Leona M. Ledermana, Melvina Schwartza i Jacka Steinbergera - był w stanie wykryć interakcje neutrina mionowego, wykazując w ten sposób, że istniał więcej niż jeden rodzaj neutrina. Jednocześnie fizycy teoretyczni postulowali istnienie wielu innych smaków neutrin, które ostatecznie zostaną potwierdzone eksperymentalnie.

Cząstka tau pojawiła się w latach 70. dzięki eksperymentom przeprowadzonym przez laureata Nagrody Nobla, fizyka Martina Lewisa Perla i jego kolegów z SLAC National Accelerator Laboratory. Dowody na związane z tym neutrino nastąpiły dzięki badaniu rozpadu tau, które wykazało brakującą energię i pęd analogiczne do brakującej energii i pędu spowodowanych rozpadem beta elektronów.

W 2000 r. Neutrino tau zaobserwowano bezpośrednio dzięki eksperymentowi bezpośredniej obserwacji eksperymentu NU Tau (DONUT) w Fermilab. Byłaby to ostatnia cząstka Modelu Standardowego obserwowana do 2012 r., Kiedy CERN ogłosił, że wykrył cząsteczkę, która prawdopodobnie była długo poszukiwanym Bozonem Higgsa.

Dziś jest kilku fizyków cząstek, którzy uważają, że lepton wciąż czeka na odkrycie. Te cząstki „czwartej generacji”, jeśli rzeczywiście są prawdziwe, istniałyby poza standardowym modelem fizyki cząstek i prawdopodobnie oddziaływałyby z materią w jeszcze bardziej egzotyczny sposób.

W Space Magazine napisaliśmy wiele interesujących artykułów o leptonach i cząstkach subatomowych. Oto, co to są cząsteczki subatomowe ?, co to są baryony ?, pierwsze zderzenia LHC, znalezione dwie nowe cząsteczki subatomowe i fizycy, może, po prostu, może potwierdzić możliwe odkrycie 5. siły natury.

Aby uzyskać więcej informacji, Virtual Visitor Center SLAC ma dobre wprowadzenie do leptonów i koniecznie zapoznaj się z recenzją Particle Data Group (PDG) dotyczącą fizyki cząstek.

Astronomy Obsada ma również odcinki na ten temat. Oto odcinek 106: Poszukiwanie teorii wszystkiego i odcinek 393: Model standardowy - leptony i kwarki.

Źródła: