CO JSOU LEPTONOVé?

Send

Během 19. a 20. století začali fyzici zkoumat hluboko do podstaty hmoty a energie. Tím rychle pochopili, že pravidla, která je řídí, se čím dál tím hlouběji rozmazává. Zatímco převládající teorie byla taková, že veškerá hmota byla tvořena nedělitelnými atomy, vědci si začali uvědomovat, že atomy jsou samy složeny z ještě menších částic.

Z těchto výzkumů se zrodil Standardní model částicové fyziky. Podle tohoto modelu se veškerá hmota ve vesmíru skládá ze dvou druhů částic: hadronů - z nichž název získává Velký Hadron Collider (LHC) - a leptonů. Tam, kde hadrony jsou složeny z jiných elementárních částic (kvarky, antikvarky atd.), Jsou leptony elementární částice, které existují samy o sobě.

Definice:

Slovo lepton pochází z řečtiny leptos, což znamená „malý“, „jemný“ nebo „tenký“. První zaznamenané použití slova bylo fyzikem Leon Rosenfeld v jeho knizeJaderné síly (1948). V knize připisoval použití slova návrhu dánského lékárníka a fyzika prof. Christiana Mollera.

Tento termín byl vybrán tak, aby odkazoval na částice malé hmotnosti, protože jedinými známými leptony v Rosenfeldově čase byly miony. Tyto elementární částice jsou více než 200krát hmotnější než elektrony, ale mají jen asi jednu devátou hmotnost protonu. Spolu s kvarky jsou leptony základními stavebními kameny hmoty, a proto jsou považovány za „elementární částice“.

Druhy leptonů:

Podle standardního modelu existuje šest různých typů leptonů. Patří sem částice Electron, Muon a Tau, jakož i jejich přidružená neutrina (tj. Elektronová neutrino, muonová neutrino a tau neutrino). Leptony mají negativní náboj a zřetelnou hmotnost, zatímco jejich neutrina mají neutrální náboj.

Elektrony jsou nejlehčí s hmotností 0,000511 gigaelektronvoltů (GeV), zatímco Muony mají hmotnost 0,1066 Gev a částice Tau (nejtěžší) mají hmotnost 1,777 Gev. Různé odrůdy elementárních částic se běžně nazývají „příchutě“. Zatímco každá z těchto tří leptonových příchutí je odlišná a odlišná (pokud jde o jejich interakce s jinými částicemi), nejsou neměnná.

Neutrino může změnit svou chuť, proces, který je známý jako „oscilace aroma neutrina“. To může mít řadu forem, mezi které patří solární neutrino, atmosférické neutrino, jaderný reaktor nebo oscilace paprsku. Ve všech pozorovaných případech byly oscilace potvrzeny tím, co se zdálo být deficitem počtu vytvořených neutrin.

Jedna pozorovaná příčina má co do činění s „rozpadem muonu“ (viz níže), což je proces, kdy sióny mění svou chuť tak, aby se stala elektronovým neutrinem nebo tau neutrinem - v závislosti na okolnostech. Kromě toho všechny tři leptony a jejich neutrina mají přidružené antičástice (antilepton).

Pro každou mají antileptony stejnou hmotnost, ale všechny ostatní vlastnosti jsou obráceny. Tato párování sestávají z elektronu / pozitronu, muonu / antimonu, tau / antitau, elektronového neutrina / elektronového antineutrina, muonového neutrina / muanového antinuetrina a tau neutrin / tau antineutrina.

Současný standardní model předpokládá, že neexistují více než tři typy (aka. „Generace“) leptonů s jejich přidruženými neutriny. To odpovídá experimentálním důkazům, že pokusy modelovat proces nukleosyntézy po Velkém třesku, kde by existence více než tří leptonů ovlivnila hojnost hélia v časném vesmíru.

Vlastnosti:

Všechny leptony mají negativní náboj. Mají také vlastní rotaci ve formě svého spinu, což znamená, že elektrony s elektrickým nábojem - tj. „Nabité leptony“ - budou generovat magnetická pole. Jsou schopni interagovat s jinou hmotou pouze slabými elektromagnetickými silami. Nakonec jejich náboj určuje sílu těchto interakcí, stejně jako sílu jejich elektrického pole a jak reagují na externí elektrická nebo magnetická pole.

Žádný z nich však není schopen interagovat s hmotou prostřednictvím silných sil. Ve standardním modelu začíná každý lepton bez vlastní hmoty. Nabité leptony získávají účinnou hmotu prostřednictvím interakcí s Higgsovým polem, zatímco neutrina buď zůstávají bezhmotná nebo mají jen velmi malé hmotnosti.

Dějiny studia:

Prvním leptonem, který byl identifikován, byl elektron, který objevil britský fyzik J.J. Thomson a jeho kolegové v roce 1897 pomocí řady experimentů s katodovou trubicí. Další objevy přišly během 30. let, což by vedlo k vytvoření nové klasifikace pro slabě interagující částice podobné elektronům.

První objev provedl rakousko-švýcarský fyzik Wolfgang Pauli v roce 1930, který navrhl existenci elektronového neutrina, aby vyřešil způsoby, kterými beta rozpad odporoval zákonu o ochraně energie, a Newtonovým zákonům o pohybu (konkrétně Zachování Zachování hybnosti.

Pozitron a muon objevil Carl D. Anders v roce 1932 a 1936, v tomto pořadí. Kvůli masu mionu to byl zpočátku omyl s mezonem. Ale kvůli jeho chování (které se podobalo chování elektronu) a skutečnosti, že nepodstoupil silnou interakci, byl muon překlasifikován. Spolu s elektronem a elektronovým neutrinem se stal součástí nové skupiny částic známých jako „lepton“.

V roce 1962 byl tým amerických fyziků - složený z Leon M. Ledermana, Melvina Schwartze a Jacka Steinbergera - schopen detekovat interakce mionovým neutrinem, což ukazuje, že existuje více než jeden typ neutrina. Současně teoretičtí fyzici předpokládali existenci mnoha dalších příchutí neutrin, což by nakonec bylo experimentálně potvrzeno.

Částice tau následovaly v sedmdesátých letech díky experimentům provedeným nositelem Nobelovy ceny fyzikem Martinem Lewisem Perlem a jeho kolegy v laboratoři SLAC National Accelerator Laboratory. Důkazy přidruženého neutrina následovaly díky studii rozkladu tau, který ukázal chybějící energii a hybnost analogickou s chybějící energií a hybnost způsobenou beta rozpadem elektronů.

V roce 2000 bylo tau neutrino přímo pozorováno díky experimentu s přímým pozorováním NU Tau (DONUT) ve Fermilab. To by byla poslední částice standardního modelu, která bude pozorována až do roku 2012, kdy CERN oznámila, že detekovala částici, která byla pravděpodobně dlouho vyhledávaným Higgsovým Bosonem.

Dnes jsou někteří fyzici částic, kteří věří, že leptony stále čekají na nalezení. Tyto částice „čtvrté generace“, pokud jsou skutečně skutečné, by existovaly mimo standardní model fyziky částic a pravděpodobně by interagovaly s hmotou ještě exotičtěji.

Zde jsme psali mnoho zajímavých článků o leptonech a subatomických částicích zde ve časopisu Space Magazine. Tady jsou Co jsou subatomické částice?

Pro více informací je Virtuální návštěvnické centrum SLAC dobrým úvodem do programu Leptons a nezapomeňte se podívat na recenzi částicové fyziky částic (PDG).

Astronomie Cast má také epizody na toto téma. Zde je Epizoda 106: Hledání teorie všeho a epizoda 393: Standardní model - Leptons & Quarks.

Zdroje: