HVAD ER LEPTONER?

Send

I det 19. og 20. århundrede begyndte fysikere at undersøge dybt ind i materiens og energiens natur. Dermed indså de hurtigt, at reglerne, der styrer dem, bliver mere og mere sløret, jo dybere man går. Mens den dominerende teori tidligere var, at alt stof var sammensat af udelelige atomer, begyndte videnskabsmænd at indse, at atomer i sig selv er sammensat af endnu mindre partikler.

Fra disse undersøgelser blev standardmodellen for partikelfysik født. I henhold til denne model er al materie i universet sammensat af to slags partikler: hadroner - hvorfra Large Hadron Collider (LHC) får sit navn - og leptoner. Hvor hadroner er sammensat af andre elementære partikler (kvarker, anti-kvarker osv.), Er leptoner elementære partikler, der findes på egen hånd.

Definition:

Ordet lepton kommer fra det græske Leptos, hvilket betyder "lille", "fin" eller "tynd". Den første registrerede brug af ordet var af fysiker Leon Rosenfeld i hans bogKernekræfter (1948). I bogen tilskrev han brugen af ordet et forslag fremsat af den danske kemiker og fysiker, professor Christian Moller.

Udtrykket blev valgt til at henvise til partikler med lille masse, da de eneste kendte leptoner i Rosenfelds tid var muoner. Disse elementære partikler er over 200 gange mere massive end elektroner, men har kun ca. en niendedel af protonens masse. Sammen med kvarker er leptoner de grundlæggende byggesten til stof, og ses derfor som ”elementære partikler”.

Typer af leptoner:

I henhold til standardmodellen er der seks forskellige typer leptoner. Disse inkluderer elektron-, Muon- og Tau-partiklerne såvel som deres associerede neutrinoer (dvs. elektronneutrino, muonneutrino og tau neutrino). Leptoner har negativ ladning og en tydelig masse, mens deres neutrinoer har en neutral 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 tungeste) har en masse på 1,777 Gev. De forskellige sorter af de elementære partikler kaldes almindeligvis "smagsstoffer". Mens hver af de tre leptonsmag er forskellige og adskilte (med hensyn til deres interaktion med andre partikler), er de ikke uforanderlige.

En neutrino kan ændre sin smag, en proces, der er kendt som "neutrino-smagsoscillation". Dette kan antage en række former, der inkluderer solneutrino, atmosfærisk neutrino, atomreaktor eller bjælkeoscillationer. I alle observerede tilfælde blev svingningerne bekræftet af, hvad der syntes at være et underskud i antallet af neutrinoer, der blev skabt.

En observeret årsag har at gøre med "muon henfald" (se nedenfor), en proces, hvor muoner ændrer deres smag til at blive elektronneutrino eller tau neutrino - afhængigt af omstændighederne. Derudover har alle tre leptoner og deres neutrinoer en tilknyttet antipartikel (antilepton).

For hver har antileptonerne en identisk masse, men alle de andre egenskaber vendes. Disse parringer består af elektron / positron, muon / antimuon, tau / antitau, elektron neutrino / elektron antineutrino, muon neutrino / muan antinuetrino og tau neutrino / tau antineutrino.

Den nuværende standardmodel antager, at der ikke er mere end tre typer (alias ”generationer”) af leptoner med deres tilknyttede neutrinoer. Dette stemmer overens med eksperimentelle beviser, der forsøger at modellere processen med nukleosyntesen efter Big Bang, hvor eksistensen af mere end tre leptoner ville have påvirket forekomsten af helium i det tidlige univers.

Ejendomme:

Alle leptoner har en negativ ladning. De har også en iboende rotation i form af deres spin, hvilket betyder, at elektroner med en elektrisk ladning - dvs. "ladede leptoner" - genererer magnetiske felter. De er kun i stand til at interagere med anden stof, selvom svage elektromagnetiske kræfter. I sidste ende bestemmer deres ladning styrken af disse interaktioner såvel som styrken af deres elektriske felt og hvordan de reagerer på eksterne elektriske eller magnetiske felter.

Ingen er dog i stand til at interagere med stof via stærke kræfter. I standardmodellen starter hvert lepton uden nogen indre masse. Opladede leptoner opnår en effektiv masse gennem interaktioner med Higgs-feltet, mens neutrinoer enten forbliver masseløse eller kun har meget små masser.

Studiens historie:

Det første lepton, der blev identificeret, var elektronet, som blev opdaget af den britiske fysiker J.J. Thomson og hans kolleger i 1897 ved hjælp af en række katodestrålerøreksperimenter. De næste opdagelser kom i løbet af 1930'erne, hvilket ville føre til oprettelsen af en ny klassificering af svagt interagerende partikler, der lignede elektroner.

Den første opdagelse blev foretaget af den østrigsk-schweiziske fysiker Wolfgang Pauli i 1930, som foreslog eksistensen af elektronneutrino med henblik på at løse måderne, hvorpå beta-forfald modsatte energibeskyttelsesloven og Newtons bevægelseslove (specifikt bevarelsen af Momentum and Conservation of Angular Momentum).

Positronen og muon blev opdaget af henholdsvis Carl D. Anders i 1932 og 1936. På grund af muonens masse blev det oprindeligt taget fejl af en meson. Men på grund af dens opførsel (der lignede en elektron) og det faktum, at det ikke gennemgik en stærk interaktion, blev muonet omklassificeret. Sammen med elektronet og elektronneutrinoen blev det en del af en ny gruppe af partikler kendt som ”leptoner”.

I 1962 var et team af amerikanske fysikere - bestående af Leon M. Lederman, Melvin Schwartz og Jack Steinberger - i stand til at opdage interaktioner fra muon neutrino, hvilket viste, at der eksisterede mere end en type neutrino. Samtidig postulerede teoretiske fysikere eksistensen af mange andre smag af neutrinoer, som til sidst ville blive bekræftet eksperimentelt.

Tau-partiklen fulgte i 1970'erne takket være eksperimenter udført af Nobelprisvindende fysiker Martin Lewis Perl og hans kolleger på SLAC National Accelerator Laboratory. Bevis for dets associerede neutrino fulgte takket være undersøgelsen af tau-forfald, som viste manglende energi og momentum analogt med den manglende energi og momentum forårsaget af beta-forfald af elektroner.

I 2000 blev tau neutrino direkte observeret takket være den direkte observation af NU Tau (DONUT) eksperimentet ved Fermilab. Dette ville være den sidste partikel i standardmodellen, der blev observeret indtil 2012, hvor CERN meddelte, at den havde fundet en partikel, der sandsynligvis var den længe efterspurgte Higgs Boson.

I dag er der nogle partikelfysikere, der mener, at der stadig er leptoner, der venter på at blive fundet. Disse "fjerde generation" -partikler, hvis de virkelig er reelle, ville eksistere ud over standardmodellen for partikelfysik og ville sandsynligvis interagere med stof på endnu mere eksotiske måder.

Vi har skrevet mange interessante artikler om leptoner og subatomære partikler her på Space Magazine. Her er hvad er subatomære partikler ?, Hvad er baryoner ?, Første kollisioner af LHC, to nye subatomiske partikler fundet, og fysikere måske, bare måske, bekræfte den mulige opdagelse af 5. naturstyrke.

For mere information har SLAC's Virtual Visitor Center en god introduktion til Leptons, og sørg for at tjekke Particle Data Group (PDG) gennemgang af partikelfysik.

Astronomy Cast har også episoder om emnet. Her er afsnit 106: Søgning efter teorien om alt og afsnit 393: Standardmodellen - Leptons & Quarks.

Kilder: