KAS IR LEPTONS?

Send

19. un 20. gadsimtā fiziķi sāka dziļi izpētīt matērijas un enerģijas raksturu. To darot, viņi ātri saprata, ka likumi, kas tos regulē, kļūst aizvien neskaidrāki, jo dziļāks ir. Kamēr dominējošā teorija bija tā, ka visu matēriju veidoja nedalāmi atomi, zinātnieki sāka saprast, ka atomi paši sastāv no vēl mazākām daļiņām.

No šiem pētījumiem radās daļiņu fizikas standarta modelis. Saskaņā ar šo modeli visa matērija Visumā sastāv no divu veidu daļiņām: hadroniem - no kuriem nosaukums ir Lielais hadronu sadursme (LHC) - un leptoniem. Ja hadronus veido citas elementāras daļiņas (kvarki, antikvarki utt.), Leptoni ir elementāras daļiņas, kas pastāv pašas par sevi.

Definīcija:

Vārds leptons nāk no grieķu valodas leptos, kas nozīmē “mazs”, “smalks” vai “plāns”. Pirmo vārda lietojumu savā grāmatā bija fiziķis Leons RozenfeldsKodolenerģija (1948). Grāmatā viņš vārda lietojumu attiecināja uz dāņu ķīmiķa un fiziķa prof. Kristiana Mollera ieteikumu.

Šis termins tika izvēlēts, lai apzīmētu nelielas masas daļiņas, jo Rozenfelda laikā vienīgie zināmie leptoni bija muoni. Šīs elementārās daļiņas ir vairāk nekā 200 reizes masīvākas nekā elektroni, bet tām ir tikai viena devītā daļa no protona masas. Kopā ar kvarkiem leptoni ir matērijas pamata elementi, tāpēc tos uzskata par “elementārdaļiņām”.

Leptonu veidi:

Saskaņā ar standarta modeli, ir seši dažādi leptonu veidi. Tajos ietilpst elektronu, muonu un tau daļiņas, kā arī ar tiem saistītie neitrīni (t.i., elektronu neitrīno, muonu neitrīno un tau neitrīno). Leptoniem ir negatīva lādiņa un izteikta masa, savukārt to neitrīniem ir neitrāla lādiņa.

Elektroni ir visvieglākie, to masa ir 0,000511 gigaelektronvolti (GeV), savukārt mūonu masa ir 0,1066 Gev un Tau daļiņas (vissmagākās) ir 1,777 Gev. Elementāro daļiņu dažādās šķirnes parasti sauc par “garšām”. Lai arī katrs no trim leptona aromātiem ir atšķirīgs un atšķirīgs (ņemot vērā to mijiedarbību ar citām daļiņām), tie nav nemainīgi.

Neitrīno var mainīt savu garšu, procesu, ko sauc par “neitrīno garšas svārstībām”. Tam var būt dažādas formas, ieskaitot saules neitrīno, atmosfēras neitrīno, kodolreaktoru vai staru kūļa svārstības. Visos novērotajos gadījumos svārstības apstiprināja tas, kas šķita izveidoto neitrīnu skaita deficīts.

Viens novērotais iemesls ir saistīts ar “muonu sabrukšanu” (skat. Zemāk) - procesu, kurā muoni maina savu garšu, lai atkarībā no apstākļiem kļūtu par elektronu neitrīniem vai tau neitrīniem. Turklāt visiem trim leptoniem un to neitrīniem ir saistīta antidaļiņa (antileptons).

Katram antileptoniem ir identiska masa, bet visas pārējās īpašības ir mainītas. Šie pāri veido elektronu / pozitronu, muonu / antimuonu, tau / antitau, elektronu neitrīno / elektronu antineutrino, neironu neitrīno / muan antinuetrino un tau neitrino / tau antineutrino.

Šis standarta modelis pieņem, ka pastāv ne vairāk kā trīs leptonu veidi (pazīstami arī kā “paaudzes”) ar tiem saistītajiem neitrīniem. Tas saskan ar eksperimentālajiem pierādījumiem, kas mēģina modelēt nukleosintēzes procesu pēc Lielā sprādziena, kad vairāk nekā trīs leptonu esamība būtu ietekmējusi hēlija pārpilnību agrīnajā Visumā.

Īpašības:

Visiem leptoniem ir negatīva lādiņa. Viņiem ir arī raksturīga griešanās to spina formā, kas nozīmē, ka elektroni ar elektrisko lādiņu - t.i., “lādētie leptoni” - radīs magnētiskos laukus. Viņi spēj mijiedarboties ar citām matērijām tikai ar vāju elektromagnētisko spēku palīdzību. Galu galā to lādiņš nosaka šo mijiedarbību stiprumu, kā arī viņu elektriskā lauka stiprumu un to, kā viņi reaģē uz ārējiem elektriskajiem vai magnētiskajiem laukiem.

Tomēr neviens nav spējīgs mijiedarboties ar matēriju, izmantojot spēcīgus spēkus. Standarta modelī katrs leptons sākas bez iekšējās masas. Uzlādētie leptoni iegūst efektīvu masu mijiedarbībā ar Higsa lauku, savukārt neitrīni vai nu paliek bez masas, vai arī tiem ir tikai ļoti mazas masas.

Studiju vēsture:

Pirmais identificētais leptons bija elektrons, kuru atklāja britu fiziķis Dž. Thomsons un viņa kolēģi 1897. gadā izmantoja virkni katodstaru lampu eksperimentu. Nākamie atklājumi tika veikti pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados, kā rezultātā tiks izveidota jauna klasifikācija vāji mijiedarbīgām daļiņām, kas bija līdzīgas elektroniem.

Pirmo atklājumu 1930. gadā veica austriešu-šveiciešu fiziķis Volfgangs Pauli, kurš ierosināja elektronu neitrīno eksistenci, lai atrisinātu veidus, kā beta sabrukšana bija pretrunā ar Enerģijas saglabāšanas likumiem un Ņūtona kustības likumiem (īpaši Leņķiskā impulsa impulss un saglabāšana).

Pozitronu un muonu atklāja Karls D. Anderss attiecīgi 1932. un 1936. gadā. Muona masas dēļ sākotnēji tas bija nepareizi izveidots mezonam. Bet, ņemot vērā tā izturēšanos (kas līdzinājās elektronam) un tā, ka ar to nenotika spēcīga mijiedarbība, muons tika pārklasificēts. Kopā ar elektronu un elektronu neitrīno tas kļuva par daļu no jaunas daļiņu grupas, kas pazīstama kā “leptoni”.

1962. gadā amerikāņu fiziķu komanda, kuras sastāvā bija Leons M. Ledermans, Melvins Švarcs un Džeks Šteinbergers, spēja noteikt mūonu neitrīno mijiedarbību, tādējādi parādot, ka pastāv vairāk nekā viens neitrīno tips. Tajā pašā laikā teorētiskie fiziķi postulēja daudzu citu neitrīno aromātu esamību, kas galu galā tiks apstiprināti eksperimentāli.

Tau daļiņa sekoja 70. gados, pateicoties eksperimentiem, ko veica Nobela prēmijas laureāts fiziķis Martins Lūiss Perls un viņa kolēģi SLAC Nacionālajā paātrinātāja laboratorijā. Pierādījumi par ar to saistīto neitrīno sekoja pateicoties tau sabrukšanas pētījumiem, kas parādīja trūkstošo enerģiju un impulsu, kas ir analogs trūkstošajai enerģijai un impulsam, ko rada elektronu beta sabrukšana.

2000. gadā tau neitrīno tika tieši novērots, pateicoties tiešajam NU Tau (DONUT) eksperimentam Fermilab. Šī būtu pēdējā standarta modeļa daļiņa, kas jāievēro līdz 2012. gadam, kad CERN paziņoja, ka tā ir atklājusi daļiņu, kas, iespējams, ir ilgi meklētā Higsa Bosona daļa.

Mūsdienās daži daļiņu fiziķi uzskata, ka joprojām ir leptoni, kas vēl jāatrod. Šīs “ceturtās paaudzes” daļiņas, ja tās patiešām ir reālas, pastāvētu ārpus daļiņu fizikas standarta modeļa un, iespējams, mijiedarbotos ar matēriju vēl eksotiskākos veidos.

Mēs šeit Space Magazine esam uzrakstījuši daudz interesantu rakstu par Leptoniem un subatomiskajām daļiņām. Lūk, Kas ir subatomiskās daļiņas ?, Kas ir baroni ?, Pirmās LHC sadursmes, atrastas divas jaunas subatomiskās daļiņas un fiziķi, iespējams, vienkārši varbūt apstipriniet 5. dabas spēka iespējamo atklāšanu.

Lai iegūtu papildinformāciju, SLAC virtuālajā apmeklētāju centrā ir labs ievads Leptoniem, un noteikti apskatiet Daļiņu datu grupas (PDG) pārskatu par daļiņu fiziku.

Astronomijas cast ir arī epizodes par šo tēmu. Šeit ir 106. epizode: teorijas meklēšana par visu, un epizode 393: standarta modelis - Leptons & Quarks.

Avoti: