HVA ER LEPTONER?

Send

I løpet av 1800- og 1900-tallet begynte fysikere å undersøke dypt inn i materien og energien. Dermed innså de raskt at reglene som styrer dem blir stadig uskarpe jo dypere man går. Mens den dominerende teorien pleide å være at all materie var sammensatt av udelelige atomer, begynte forskere å innse at atomer i seg selv er sammensatt av enda mindre partikler.

Fra disse undersøkelsene ble Standard Model of Particle Physics født. I henhold til denne modellen er all materie i universet sammensatt av to typer partikler: hadroner - hvorfra Large Hadron Collider (LHC) får navnet sitt - og leptoner. Der hadrons er sammensatt av andre elementære partikler (kvarker, anti-kvarker osv.), Er leptoner elementære partikler som eksisterer på egenhånd.

Definisjon:

Ordet lepton kommer fra det greske Leptos, som betyr "liten", "fin" eller "tynn". Den første innspilte bruken av ordet var av fysiker Leon Rosenfeld i sin bokAtom Force (1948). I boken tilskrev han bruken av ordet til et forslag fra den danske kjemikeren og fysikeren Professor Christian Moller.

Begrepet ble valgt for å referere til partikler med liten masse, siden de eneste kjente leptonene i Rosenfelds tid var muoner. Disse elementære partiklene er over 200 ganger mer massive enn elektroner, men har bare omtrent en niendedel av massen til et proton. Sammen med kvarker er leptoner de grunnleggende byggesteinene i saken, og blir derfor sett på som "elementære partikler".

Typer leptoner:

I henhold til standardmodellen er det seks forskjellige typer leptoner. Disse inkluderer partiklene Electron, Muon og Tau, så vel som deres tilknyttede neutrinoer (dvs. elektronneutrino, muon neutrino og tau neutrino). Leptoner har negativ ladning og en distinkt masse, mens nøytrinoene deres har en nøytral ladning.

Elektroner er de letteste, med en masse på 0,000511 gigaelektronvolt (GeV), mens Muons har en masse på 0,1066 Gev og Tau-partikler (de tyngste) har en masse på 1,777 Gev. De forskjellige variantene av elementære partikler kalles ofte "smaker". Mens hver av de tre leptonsmakene er forskjellige og distinkte (med tanke på deres interaksjon med andre partikler), er de ikke uforanderlige.

En nøytrino kan endre smaken, en prosess som er kjent som "nøytrino-smaksoscillasjon". Dette kan ha en rekke former, som inkluderer solnøytrino, atmosfærisk nøytrino, kjernefysisk reaktor eller strålesvingninger. I alle observerte tilfeller ble svingningene bekreftet av det som så ut til å være et underskudd i antall nøytrinoer som ble opprettet.

En observert årsak har å gjøre med "muon forråtnelse" (se nedenfor), en prosess der muoner endrer smaken til å bli elektronneutrino eller tau nøytrino - avhengig av omstendighetene. I tillegg har alle tre leptonene og nøytrinoene deres en tilknyttet antipartikkel (antilepton).

For hver har antileptonene en identisk masse, men alle de andre egenskapene er reversert. Disse sammenkoblinger består av elektron / positron, muon / antimuon, tau / antitau, elektron neutrino / elektron antineutrino, muon neutrino / muan antinuetrino og tau neutrino / tau antineutrino.

Den nåværende standardmodellen antar at det ikke er mer enn tre typer (alias "generasjoner") leptoner med tilhørende nøytrinoer. Dette samsvarer med eksperimentelle bevis som forsøker å modellere prosessen med nukleosyntesen etter Big Bang, der eksistensen av mer enn tre leptoner ville ha påvirket overfloden av helium i det tidlige universet.

Eiendommer:

Alle leptoner har en negativ ladning. De har også en egen rotasjon i form av spinnet, noe som betyr at elektroner med en elektrisk ladning - dvs. "ladede leptoner" - vil generere magnetiske felt. De er i stand til å samhandle med annen materie bare om svake elektromagnetiske krefter. Til slutt bestemmer ladningen styrken til disse interaksjonene, så vel som styrken til det elektriske feltet og hvordan de reagerer på eksterne elektriske eller magnetiske felt.

Ingen er i stand til å samhandle med materien via sterke krefter. I standardmodellen starter hvert lepton uten egenmasse. Ladede leptoner oppnår en effektiv masse gjennom interaksjoner med Higgs-feltet, mens nøytrinoer forblir masseløse eller bare har veldig små masser.

Studiens historie:

Det første leptonet som ble identifisert var elektronet, som ble oppdaget av den britiske fysikeren J.J. Thomson og kollegene i 1897 ved hjelp av en serie katodestrålerøreksperimenter. De neste funnene kom i løpet av 1930-årene, noe som ville føre til at det ble opprettet en ny klassifisering for svakt samvirkende partikler som liknet elektronene.

Den første oppdagelsen ble gjort av den østerriksk-sveitsiske fysikeren Wolfgang Pauli i 1930, som foreslo eksistensen av elektronneutrinoen for å løse måtene beta-forfall motsier seg Conservation of Energy law, og Newtons Laws of Motion (nærmere bestemt Conservation of Momentum and Conservation of Angular Momentum).

Positronen og muon ble oppdaget av henholdsvis Carl D. Anders i 1932 og 1936. På grunn av massen til muon, tok den først feil av en meson. Men på grunn av atferden (som lignet på elektronens) og det at den ikke gjennomgikk sterk interaksjon, ble muonet klassifisert på nytt. Sammen med elektronet og elektronneutrinoen ble det en del av en ny gruppe av partikler kjent som "leptoner".

I 1962 var et team av amerikanske fysikere - bestående av Leon M. Lederman, Melvin Schwartz og Jack Steinberger - i stand til å oppdage interaksjoner med muon neutrino, og viste dermed at mer enn en type neutrino eksisterte. Samtidig postulerte teoretiske fysikere eksistensen av mange andre smaker av nøytrinoer, som til slutt ville bli bekreftet eksperimentelt.

Tau-partikkelen fulgte på 1970-tallet, takket være eksperimenter utført av Nobelprisvinnende fysiker Martin Lewis Perl og hans kolleger ved SLAC National Accelerator Laboratory. Bevis for det tilhørende nøytrino fulgte takket være studien av tau-forfall, som viste manglende energi og momentum analogt med den manglende energien og momentumet forårsaket av beta-forfallet av elektroner.

I 2000 ble tau neutrino direkte observert takket være direkte observasjon av NU Tau (DONUT) eksperimentet på Fermilab. Dette ville være den siste partikkelen i Standard Model som ble observert frem til 2012, da CERN kunngjorde at den hadde oppdaget en partikkel som sannsynligvis var den ettertraktede Higgs Boson.

I dag er det noen partikkelfysikere som tror at det fortsatt er leptoner som venter på å bli funnet. Disse "fjerde generasjon" -partiklene, hvis de virkelig er ekte, ville eksistere utover standardmodellen for partikkelfysikk, og vil sannsynligvis samhandle med materien på enda mer eksotiske måter.

Vi har skrevet mange interessante artikler om leptoner og subatomære partikler her på Space Magazine. Her er hva er subatomære partikler ?, Hva er baryoner ?, Første kollisjoner av LHC, to nye subatomiske partikler funnet, og fysikere Kanskje, bare kanskje, bekrefte den mulige oppdagelsen av 5. naturens styrke.

For mer informasjon har SLACs virtuelle besøkssenter en god introduksjon til Leptons, og husk å sjekke ut Particle Data Group (PDG) gjennomgang av partikkelfysikk.

Astronomy Cast har også episoder om temaet. Her er episode 106: The Search for Theory of Everything, og Episode 393: The Standard Model - Leptons & Quarks.

kilder: