КАКВО СА ЛЕПТОНИТЕ?

Send

През 19 и 20 век физиците започват да изследват дълбоко природата на материята и енергията. Правейки това, те бързо разбраха, че правилата, които ги управляват, стават все по-размити, колкото по-дълбоко става. Докато преобладаващата теория беше, че цялата материя е съставена от неделими атоми, учените започнаха да осъзнават, че самите атоми са съставени от още по-малки частици.

От тези изследвания се роди Стандартният модел на физика на частиците. Според този модел цялата материя във Вселената е съставена от два вида частици: адрони - от които Големият адронен колайдер (LHC) получава името си - и лептони. Когато адроните са съставени от други елементарни частици (кварки, антикварки и т.н.), лептоните са елементарни частици, които съществуват самостоятелно.

Определение:

Думата лептон идва от гръцкото Лептос, което означава „малък“, „фин“ или „тънък“. Първата записана употреба на думата е от физика Леон Розенфелд в книгата муЯдрени сили (1948). В книгата той приписва употребата на думата на предложение, направено от датския химик и физик проф. Кристиан Молер.

Терминът е избран да се отнася до частици с малка маса, тъй като единствените известни лептони по времето на Розенфелд са били мюони. Тези елементарни частици са над 200 пъти по-масивни от електроните, но имат само около една девета от масата на протона. Наред с кварците лептоните са основните градивни елементи на материята и затова се разглеждат като „елементарни частици“.

Видове лептони:

Според стандартния модел има шест различни вида лептони. Те включват частиците Електрон, Мюон и Тау, както и техните свързани неутрино (т.е. електронно неутрино, муонно неутрино и тау неутрино). Лептоните имат отрицателен заряд и отчетлива маса, докато техните неутрино имат неутрален заряд.

Електроните са най-леките, с маса 0,000511 гигаелектронволта (GeV), докато мюоните имат маса 0,1066 Gev, а частиците Тау (най-тежките) имат маса 1,777 Gev. Различните разновидности на елементарните частици обикновено се наричат „аромати“. Въпреки че всеки от трите лептонови аромата е различен и различен (по отношение на взаимодействието им с други частици), те не са неизменни.

Неутрино може да промени аромата си, процес, известен като „неутрино ароматично колебание“. Това може да приеме редица форми, които включват слънчево неутрино, атмосферно неутрино, ядрен реактор или трептения на лъча. Във всички наблюдавани случаи трептенията се потвърждават от това, което изглежда е дефицит в броя на създадените неутрино.

Една от наблюдаваните причини е свързана с „разпад на мюон“ (виж по-долу), процес, при който мюоните променят аромата си, за да станат електронни неутрино или тау неутрино - в зависимост от обстоятелствата. Освен това и трите лептона и техните неутрино имат свързана античастица (антилептон).

За всеки, антилептоните имат идентична маса, но всички останали свойства са обърнати. Тези двойки се състоят от електрон / позитрон, мюон / антимуон, тау / антитау, електронно неутрино / електронно антинейтрино, муонно неутрино / муан антинуетрино и тау неутрино / тау антинейтрино.

Настоящият стандартен модел предполага, че съществуват не повече от три вида (известни още като "поколения") лептони със съответните им неутрино. Това съответства на експериментални доказателства, които се опитват да моделират процеса на нуклеосинтеза след Големия взрив, където съществуването на повече от три лептона би повлияло на изобилието на хелий в ранната Вселена.

Имоти:

Всички лептони притежават отрицателен заряд. Те притежават и вътрешно въртене под формата на своя спин, което означава, че електрони с електрически заряд - т.е. „заредени лептони“ - ще генерират магнитни полета. Те са в състояние да взаимодействат с друга материя само чрез слаби електромагнитни сили. В крайна сметка техният заряд определя силата на тези взаимодействия, както и силата на електрическото им поле и как реагират на външни електрически или магнитни полета.

Никой обаче не е в състояние да взаимодейства с материята чрез силни сили. В стандартния модел всеки лептон започва без присъща маса. Заредените лептони получават ефективна маса чрез взаимодействия с полето на Хигс, докато неутрино или остават без маса или имат само много малки маси.

История на обучението:

Първият идентифициран лептон беше електронът, който беше открит от британския физик J.J. Томсън и неговите колеги през 1897 г. използват серия експерименти с катодни тръби. Следващите открития дойдоха през 30-те години на миналия век, което ще доведе до създаването на нова класификация за слабо взаимодействащи частици, подобни на електроните.

Първото откритие е направено от австрийско-швейцарския физик Волфганг Паули през 1930 г., който предложи съществуването на електронно неутрино, за да се разрешат начините, по които бета разпадането противоречи на закона за опазване на енергията и законите на Нютон за движение (по-специално опазването на Инерция и запазване на ъгловия импулс).

Позитронът и мюонът са открити съответно от Карл Д. Андерс през 1932 и 1936 г. Поради масата на мюона, първоначално е бил заблуден за мезон. Но поради поведението си (което наподобяваше това на електрон) и факта, че той не е претърпял силно взаимодействие, мюонът е прекласифициран. Заедно с електрона и електронното неутрино, той стана част от нова група частици, известна като „лептони“.

През 1962 г. екип от американски физици - състоящ се от Леон М. Ледерман, Мелвин Шварц и Джак Щайнбергер - успяват да открият взаимодействия от муонното неутрино, като по този начин показват, че съществуват повече от един вид неутрино. В същото време теоретичните физици постулират съществуването на много други аромати на неутрино, които в крайна сметка биха били потвърдени експериментално.

Частта от тау последва през 70-те години на миналия век, благодарение на експерименти, проведени от спечелилия Нобелова награда физик Мартин Люис Перл и неговите колеги в Националната лаборатория за ускорители на SLAC. Доказателства за свързаното с него неутрино последваха благодарение на изследването на разпадането на тау, което показа липсваща енергия и импулс, аналогични на липсващата енергия и импулс, причинени от бета разпадането на електроните.

През 2000 г. тау неутрино е наблюдавано директно благодарение на Директното наблюдение на експеримента NU Tau (DONUT) при Фермилаб. Това ще е последната частица от Стандартния модел, наблюдавана до 2012 г., когато CERN обяви, че е открила частица, която вероятно е дълго търсеният Хигс Босън.

Днес има някои физици на частици, които вярват, че има лептони, които все още чакат да бъдат намерени. Тези частици от четвърто поколение, ако наистина са истински, биха съществували извън стандартния модел на физиката на частиците и вероятно биха взаимодействали с материята по още по-екзотични начини.

Тук сме писали много интересни статии за лептоните и субатомните частици в Space Magazine. Ето какво са субатомните частици? Какво представляват барионите? Първите сблъсъци на LHC, открити две нови субатомни частици и физиците може би, просто може би потвърждават възможното откриване на 5-та сила на природата.

За повече информация виртуалният посетителски център на SLAC има добро въведение в Лептоните и не забравяйте да проверите прегледа на групата данни на частиците (PDG) на физиката на частиците.

Astronomy Cast също има епизоди по темата. Ето епизод 106: Търсенето на теорията на всичко и Епизод 393: Стандартният модел - лептони и кварки.

Източници: