ЩО ТАКЕ ЛЕПТОНИ?

Send

Протягом 19 і 20 століть фізики почали досліджувати глибину природи матерії та енергії. Роблячи це, вони швидко зрозуміли, що правила, які ними керуються, стають все більш розмитими, чим глибше. Якщо переважаюча теорія полягала в тому, що вся матерія складається з нероздільних атомів, вчені почали розуміти, що атоми самі складаються з ще менших частинок.

З цих досліджень народилася Стандартна модель фізики частинок. Згідно з цією моделлю вся матерія у Всесвіті складається з двох видів частинок: адрони - від яких Великий адронний колайдер (LHC) отримує свою назву - та лептони. Там, де адрони складаються з інших елементарних частинок (кварків, антикварків тощо), лептони - це елементарні частинки, які існують самі по собі.

Визначення:

Слово лептон походить від грецької лептос, що означає "маленький", "тонкий" або "тонкий". Першим зафіксованим вживанням цього слова був фізик Леон Розенфельд у своїй книзіЯдерні сили (1948). У книзі він пояснив використання цього слова пропозицією датського хіміка та фізика проф. Крістіана Моллера.

Термін був обраний для позначення частинок невеликої маси, оскільки єдиними відомими лептонами за часів Розенфельда були мюони. Ці елементарні частинки більш ніж у 200 разів масивніші, ніж електрони, але мають лише приблизно дев'яту частину маси протона. Поряд з кварками лептони є основними будівельними елементами речовини, і тому їх розглядають як "елементарні частинки".

Типи лептонів:

Відповідно до стандартної моделі існує шість різних типів лептонів. До них відносяться частинки Електрона, Муона та Тау, а також пов'язані з ними нейтрино (тобто електронне нейтрино, мюонне нейтрино та тау-нейтрино). Лептони мають негативний заряд і чітку масу, тоді як їх нейтрино має нейтральний заряд.

Електрони найлегші з масою 0,000511 гігаелектронвольт (GeV), а мюони мають масу 0,1066 Гев, а частинки Тау (найважчі) мають масу 1,777 Гев. Різні різновиди елементарних частинок зазвичай називають «ароматизаторами». Хоча кожен з трьох ароматів лептону різний і виразний (з точки зору їх взаємодії з іншими частинками), вони незмінні.

Нейтрино може змінити свій аромат, процес, відомий як "коливання аромату нейтрино". Це може приймати ряд форм, серед яких сонячне нейтрино, атмосферне нейтрино, ядерний реактор або коливання пучка. У всіх спостережуваних випадках коливання підтверджувались тим, що виявилося дефіцитом у кількості створених нейтрино.

Одна із спостережуваних причин пов'язана з "розпадом мюонів" (див. Нижче), процесом, коли мюони змінюють свій аромат, стаючи електронними нейтрино або тау-нейтрино - залежно від обставин. Крім того, всі три лептони та їх нейтрино мають супутню античастинку (антилептон).

Для кожного антилептона однакова маса, але всі інші властивості зворотні. Ці пари складаються з електрон / позитрон, мюон / антимуон, тау / антитау, електрон нейтрино / електрон антинейтрино, мюонне нейтрино / муан антинуетріно і тау нейтрино / тау антинейтрино.

Ця стандартна модель передбачає, що існує не більше трьох типів (т.зв. «поколінь») лептонів з пов'язаними з ними нейтрино. Це узгоджується з експериментальними доказами, що намагаються моделювати процес нуклеосинтезу після Великого вибуху, де існування більше трьох лептонів вплинуло б на кількість гелію в ранньому Всесвіті.

Властивості:

Всі лептони мають негативний заряд. Вони також мають власне обертання у вигляді свого спіна, що означає, що електрони з електричним зарядом - тобто "заряджені лептони" - будуть генерувати магнітні поля. Вони здатні взаємодіяти з іншою речовиною лише за рахунок слабких електромагнітних сил. Зрештою, їх заряд визначає силу цих взаємодій, а також силу їх електричного поля та те, як вони реагують на зовнішні електричні чи магнітні поля.

Однак ніхто не здатний взаємодіяти з матерією за допомогою сильних сил. У стандартній моделі кожен лептон починається без внутрішньої маси. Заряджені лептони отримують ефективну масу шляхом взаємодії з полем Хіггса, тоді як нейтрино або залишаються безмасштабними, або мають лише дуже малі маси.

Історія навчання:

Першим ідентифікованим лептоном був електрон, який виявив британський фізик Дж. Дж. Томсон та його колеги в 1897 р. Використовували серію експериментів з катодними променями. Наступні відкриття відбулися протягом 1930-х років, що призведе до створення нової класифікації слабо взаємодіючих частинок, подібних до електронів.

Перше відкриття було зроблено австрійсько-швейцарським фізиком Вольфгангом Паулі в 1930 році, який запропонував існування електронного нейтрино для того, щоб вирішити способи, коли бета-розпад суперечив закону про збереження енергії та законам Ньютона (зокрема, збереження Імпульс і збереження кутового імпульсу).

Позитрон та мюон були відкриті Карлом Д. Андерсом у 1932 та 1936 роках відповідно. Через масу мюона спочатку було прийнято за мезон. Але завдяки своїй поведінці (яка нагадувала поведінку електрона) та тому, що він не зазнавав сильної взаємодії, мюон був перекласифікований. Поряд з електроном та електронним нейтрино, він увійшов до складу нової групи частинок, відомих як "лептони".

У 1962 р. Команда американських фізиків - у складі Леона М. Ледермана, Мелвіна Шварца та Джека Штейнбергера - змогла виявити взаємодії мюонного нейтрино, тим самим показавши, що існує більше одного типу нейтрино. У той же час фізики-теоретики постулювали про існування багатьох інших ароматизаторів нейтрино, які згодом були б підтверджені експериментально.

Частка тау послідувала в 1970-х роках, завдяки експериментам, проведеним фізиком-лауреатом Нобелівської премії Мартіном Льюїсом Перлом та його колегами з Національної лабораторії прискорень SLAC. Докази його пов'язаного нейтрино випливали завдяки дослідженню розпаду тау, яке показало відсутність енергії та імпульсу, аналогічних відсутній енергії та імпульсу, викликаному бета-розпадом електронів.

У 2000 р. Тау-нейтрино було безпосередньо помічено завдяки прямому спостереженню експерименту NU Tau (DONUT) у Фермілабі. Це буде останньою частинкою Стандартної моделі, яку слід спостерігати до 2012 року, коли CERN оголосив, що виявив частинку, яка, ймовірно, давно шукав Хіггса Босона.

Сьогодні є деякі фізики-частинки, які вважають, що є лептони, які ще чекають, що їх знайдуть. Ці частинки четвертого покоління, якщо вони справді реальні, існували б поза стандартною моделлю фізики частинок і, ймовірно, взаємодіють із речовиною ще екзотичнішими способами.

Ми написали багато цікавих статей про лептонів та субатомні частинки тут у Space Magazine. Ось що таке субатомні частинки? Що таке баріони ?, перші зіткнення ЛГК, знайдені дві нові субатомні частинки, а фізики, можливо, просто підтвердять можливе відкриття 5-ї сили природи.

Для отримання додаткової інформації Віртуальний центр відвідувачів SLAC добре ознайомиться з лептонами та обов'язково ознайомтеся з оглядом фізики частинок групи даних (PDG).

Астрономічна ролях також має епізоди на цю тему. Ось Епізод 106: Пошук теорії всього і Епізод 393: Стандартна модель - Лептони та Кварки.

Джерела: