VAD äR LEPTONER?

Send

Under 1800- och 1900-talet började fysiker undersöka djupt in i materiens natur och energi. På så sätt insåg de snabbt att reglerna som styr dem blir allt oskarpa ju djupare man går. Medan den dominerande teorin brukade vara att all materia bestod av odelbara atomer, började forskare att inse att atomer själva består av ännu mindre partiklar.

Från dessa undersökningar föddes standardmodellen för partikelfysik. Enligt denna modell består allt material i universum av två typer av partiklar: hadroner - från vilka Large Hadron Collider (LHC) får sitt namn - och leptoner. Där hadroner består av andra elementära partiklar (kvarkar, anti-kvarkar, etc), är leptoner elementära partiklar som existerar på egen hand.

Definition:

Ordet lepton kommer från det grekiska Leptos, vilket betyder "liten", "fin" eller "tunn". Den första inspelade användningen av ordet var av fysikern Leon Rosenfeld i sin bokKärnkrafter (1948). I boken tillskrev han användningen av ordet till ett förslag från den danska kemisten och fysikern professor Christian Moller.

Termen valdes för att referera till partiklar med liten massa, eftersom de enda kända leptonerna under Rosenfelds tid var muoner. Dessa elementära partiklar är över 200 gånger mer massiva än elektroner, men har bara ungefär en nionde massan för en proton. Tillsammans med kvarkar är leptoner de grundläggande byggstenarna för materien och ses därför som ”elementära partiklar”.

Typer av leptoner:

Enligt standardmodellen finns det sex olika typer av leptoner. Dessa inkluderar elektron-, Muon- och Tau-partiklarna, såväl som deras tillhörande neutrino (dvs. elektronneutrino, muonneutrino och tau-neutrino). Leptoner har negativ laddning och en tydlig massa, medan deras neutrino har en neutral laddning.

Elektroner är de lättaste, med en massa av 0,000511 gigaelektronvoltar (GeV), medan Muons har en massa av 0,1066 Gev och Tau-partiklar (de tyngsta) har en massa av 1,777 Gev. De olika varianterna av elementära partiklar kallas vanligtvis ”smaker”. Medan var och en av de tre leptonsmakerna är olika och distinkta (i termer av deras interaktion med andra partiklar), är de inte oföränderliga.

En neutrino kan förändra sin smak, en process som kallas "oscillation av neutrinosmak". Detta kan ta ett antal former, som inkluderar solneutrino, atmosfärisk neutrino, kärnreaktor eller strålsvängningar. I alla observerade fall bekräftades svängningarna av vad som tycktes vara ett underskott i antalet neutrinoer som skapades.

En observerad orsak har att göra med ”muon-sönderfall” (se nedan), en process där muoner ändrar sin smak till att bli elektronneutrino eller tau-neutrino - beroende på omständigheterna. Dessutom har alla tre leptonerna och deras neutrinoer en tillhörande antipartikel (antilepton).

För varje har antileptonema en identisk massa, men alla de andra egenskaperna är omvända. Dessa parningar består av elektron / positron, muon / antimuon, tau / antitau, elektron neutrino / elektron antineutrino, muon neutrino / muan antinuetrino och tau neutrino / tau antineutrino.

Den nuvarande standardmodellen antar att det inte finns mer än tre typer (alias "generationer") av leptoner med tillhörande neutrino. Detta överensstämmer med experimentella bevis som försöker modellera processen för nukleosyntes efter Big Bang, där förekomsten av mer än tre leptoner skulle ha påverkat överflödet av helium i det tidiga universum.

Egenskaper:

Alla leptoner har en negativ laddning. De har också en egen rotation i form av sin snurr, vilket innebär att elektroner med en elektrisk laddning - dvs "laddade leptoner" - kommer att generera magnetfält. De kan interagera med annan materia endast om svaga elektromagnetiska krafter. I slutändan bestämmer deras laddning styrkan hos dessa interaktioner, liksom styrkan i deras elektriska fält och hur de reagerar på externa elektriska eller magnetiska fält.

Ingen kan dock interagera med materien via starka krafter. I standardmodellen börjar varje lepton utan någon egenmassa. Laddade leptoner erhåller en effektiv massa genom interaktioner med Higgs-fältet, medan neutrino antingen förblir masslös eller endast har mycket små massor.

Studiens historia:

Den första leptonen som identifierades var elektronen, som upptäcktes av den brittiska fysikern J.J. Thomson och hans kollegor 1897 med hjälp av en serie katodstrålerörsexperiment. De nästa upptäckterna kom under 1930-talet, vilket skulle leda till skapandet av en ny klassificering för svagt samverkande partiklar som liknade elektroner.

Den första upptäckten gjordes av den österrikiska-schweiziska fysikern Wolfgang Pauli 1930, som föreslog existensen av elektronneutrino för att lösa de sätt på vilka beta-sönderfall strider mot bevarandet av energilagen och Newtons rörelseregler (särskilt bevarande av Momentum and Conservation of Angular Momentum).

Positronen och muon upptäcktes av Carl D. Anders 1932 respektive 1936. På grund av muonens massa tog det sig först en meson. Men på grund av dess beteende (som liknade det hos en elektron) och det faktum att den inte genomgick stark interaktion, klassificerades muon. Tillsammans med elektron och elektronneutrino blev det en del av en ny grupp av partiklar som kallas ”leptoner”.

1962 kunde ett team av amerikanska fysiker - bestående av Leon M. Lederman, Melvin Schwartz och Jack Steinberger - upptäcka interaktioner med muon neutrino, vilket visade att det fanns mer än en typ av neutrino. Samtidigt postulerade teoretiska fysiker förekomsten av många andra smaker av neutrino, som så småningom skulle bekräftas experimentellt.

Taupartikeln följde på 1970-talet tack vare experiment som genomfördes av den Nobelprisvinnande fysikern Martin Lewis Perl och hans kollegor vid SLAC National Accelerator Laboratory. Bevis på dess associerade neutrino följde tack vare studien av tau-sönderfall, som visade saknad energi och fart som var analogt med den saknade energin och fart som orsakats av beta-sönderfallet av elektron.

År 2000 observerades tau neutrino direkt tack vare direktobservationen av NU Tau (DONUT) -experimentet på Fermilab. Detta skulle vara den sista partikeln i standardmodellen som observerades fram till 2012, då CERN meddelade att den hade upptäckt en partikel som troligen var den eftertraktade Higgs Boson.

Idag finns det en del partikelfysiker som tror att det fortfarande finns leptoner som väntar på att hittas. Dessa "fjärde generationen" -partiklar, om de verkligen är verkliga, skulle existera bortom standardmodellen för partikelfysik och skulle troligtvis interagera med materien på ännu mer exotiska sätt.

Vi har skrivit många intressanta artiklar om leptoner och subatomära partiklar här på Space Magazine. Här är vad är subatomära partiklar ?, Vad är Baryons ?, Första kollisioner av LHC, två nya subatomiska partiklar hittade och fysiker kanske, bara kanske, bekräfta den möjliga upptäckten av den femte naturens kraft.

För mer information har SLAC: s virtuella besökarcentrum en bra introduktion till Leptons och se till att kolla in Particle Data Group (PDG) Review of Particle Physics.

Astronomy Cast har också avsnitt om ämnet. Här är avsnitt 106: Sök efter teorin om allt och avsnitt 393: Standardmodellen - Leptons & Quarks.

källor: