CE SUNT LEPTONII?

Send

În secolele XIX și XX, fizicienii au început să analizeze în profunzime natura materiei și a energiei. În acest sens, au realizat rapid că regulile care le guvernează devin din ce în ce mai încețoșate, cu cât este mai profundă. În timp ce teoria predominantă era că toată materia era formată din atomi indivizi, oamenii de știință au început să realizeze că atomii sunt înșiși compuși din particule și mai mici.

Din aceste investigații s-a născut modelul standard al fizicii particulelor. În conformitate cu acest model, toată materia din Univers este compusă din două tipuri de particule: hadroni - de la care Marele Colizor de Hadron (LHC) își primește numele - și leptonii. În cazul în care hadronii sunt compuși din alte particule elementare (quark, anti-quark, etc.), leptonele sunt particule elementare care există de la sine.

Definiție:

Cuvântul lepton provine din greacă Leptos, care înseamnă „mic”, „fin” sau „subțire”. Prima utilizare înregistrată a cuvântului a fost de către fizicianul Leon Rosenfeld în cartea saForțele nucleare (1948). În carte, el a atribuit folosirea cuvântului unei sugestii făcute de chimistul și fizicianul danez prof. Christian Moller.

Termenul a fost ales pentru a se referi la particule de masă mică, deoarece singurele leptone cunoscute pe vremea lui Rosenfeld erau muonii. Aceste particule elementare sunt de peste 200 de ori mai masive decât electronii, dar au doar o nouă parte din masa unui proton. Alături de quark, leptonii sunt blocurile de bază ale materiei și sunt, prin urmare, văzute ca „particule elementare”.

Tipuri de leptoni:

Conform modelului standard, există șase tipuri diferite de leptoni. Acestea includ particulele Electron, Muon și Tau, precum și neutrinii asociați acestora (adică neutrino electron, neutrin muon și neutrino tau). Leptonii au o sarcină negativă și o masă distinctă, în timp ce neutrinii lor au o încărcare neutră.

Electronii sunt cei mai ușori, cu o masă de 0,000511 gigaelectronvolți (GeV), în timp ce Muoni au o masă de 0,1066 particule Gev și Tau (cele mai grele) au o masă de 1,777 Gev. Diferitele soiuri de particule elementare sunt denumite în mod obișnuit „arome”. Deși fiecare dintre cele trei arome de lepton sunt diferite și distincte (în ceea ce privește interacțiunile lor cu alte particule), acestea nu sunt imuabile.

Un neutrino își poate schimba aroma, un proces care este cunoscut sub numele de „oscilația aromelor de neutrini”. Aceasta poate lua o serie de forme, care includ neutrino solar, neutrino atmosferic, reactor nuclear sau oscilații ale fasciculului. În toate cazurile observate, oscilațiile au fost confirmate de ceea ce părea a fi un deficit în numărul de neutrini creat.

O cauză observată are legătură cu „decantarea muonului” (a se vedea mai jos), un proces în care muonii își schimbă aroma pentru a deveni neutrini electroni sau neutru tau - în funcție de circumstanțe. În plus, toate cele trei leptone și neutrinii lor au un antiparticul asociat (antilepton).

Pentru fiecare, antileptonii au o masă identică, dar toate celelalte proprietăți sunt inversate. Aceste împerecheri constau din electron / pozitron, muon / antimuon, tau / antitau, electron neutrino / electron antineutrino, muon neutrino / muan antinuetrino și tau neutrino / tau antineutrino.

Prezentul model standard presupune că nu există mai mult de trei tipuri (numite „generații”) de leptoni cu neutrinii asociați în existență. Acest lucru este conform cu dovezi experimentale care încearcă să modeleze procesul de nucleosinteză după Big Bang, unde existența a peste trei leptoni ar fi afectat abundența de heliu în Universul timpuriu.

Proprietăți:

Toate leptonii au o încărcare negativă. De asemenea, au o rotație intrinsecă sub formă de rotire, ceea ce înseamnă că electronii cu sarcină electrică - adică „leptonii încărcați” - vor genera câmpuri magnetice. Aceștia sunt capabili să interacționeze cu alte materii numai dacă forțe electromagnetice slabe. În cele din urmă, sarcina lor determină rezistența acestor interacțiuni, precum și rezistența câmpului lor electric și modul în care reacționează la câmpurile electrice sau magnetice externe.

Niciunul nu este capabil să interacționeze cu materia prin forțe puternice, cu toate acestea. În modelul standard, fiecare lepton începe cu nicio masă intrinsecă. Leptonii încărcați obțin o masă eficientă prin interacțiunile cu câmpul Higgs, în timp ce neutrinoii rămân fără masă sau au doar mase foarte mici.

Istoria studiului:

Prima leptină identificată a fost electronul, descoperit de fizicianul britanic J.J. Thomson și colegii săi în 1897 folosind o serie de experimente cu tuburi de raze catodice. Următoarele descoperiri au avut loc în anii 1930, ceea ce ar duce la crearea unei noi clasificări pentru particulele care interacționează slab, care erau similare cu electronii.

Prima descoperire a fost făcută de către fizicianul austro-elvețian Wolfgang Pauli în 1930, care a propus existența neutrinului de electroni pentru a rezolva modalitățile prin care degradarea beta a contrazis Legea conservării energiei și Legile mișcării de la Newton (în special Conservarea Momentul și conservarea momentului unghiular).

Positronul și muonul au fost descoperite de Carl D. Anders în 1932 și, respectiv, în 1936. Datorită masei muonului, inițial s-a confundat cu un meson. Dar datorită comportamentului său (care semăna cu cel al unui electron) și faptului că nu a suferit o interacțiune puternică, muonul a fost reclasificat. Împreună cu electronul și neutrinul electronilor, a devenit parte dintr-un grup nou de particule cunoscute sub numele de „leptoni”.

În 1962, o echipă de fizicieni americani - formată din Leon M. Lederman, Melvin Schwartz și Jack Steinberger - au putut detecta interacțiunile neutrinului muon, arătând astfel că există mai mult de un tip de neutrino. În același timp, fizicienii teoretici au postulat existența multor alte arome ale neutrinilor, care ar fi în cele din urmă confirmate experimental.

Particulul tau a urmat în anii '70, datorită experimentelor efectuate de fizicianul câștigător al Premiului Nobel, Martin Lewis Perl, și colegii săi de la Laboratorul Național de Accelerare SLAC. Dovada neutrinului său asociat a urmat datorită studierii descompunerii tau, care a arătat energia lipsă și impulsul analog energiei și impulsului lipsă cauzate de descompunerea beta a electronilor.

În 2000, neutrino tau a fost observat direct datorită observării directe a experimentului NU Tau (DONUT) la Fermilab. Aceasta ar fi ultima particulă a modelului standard observată până în 2012, când CERN a anunțat că a detectat o particulă care era probabil căutarea îndelungată a lui Higgs Boson.

Astăzi, există unii fizicieni cu particule care cred că mai există leptoni care așteaptă să fie găsiți. Aceste particule de „a patra generație”, dacă sunt într-adevăr reale, ar exista dincolo de modelul standard al fizicii particulelor și ar putea interacționa cu materia în moduri chiar mai exotice.

Am scris multe articole interesante despre Leptoni și particule subatomice aici la Space Magazine. Iată ce sunt particulele subatomice ?, ce sunt barionii ?, primele coliziuni ale LHC, două noi particule subatomice găsite și fizicienii poate, doar poate, confirmă posibila descoperire a celei de-a 5-a forțe a naturii.

Pentru mai multe informații, Centrul Virtual de Vizitatori al SLAC oferă o bună introducere în Leptons și asigurați-vă că consultați Revizuirea de fizică a particulelor.

Astronomie Cast are și episoade pe această temă. Iată Episodul 106: Căutarea Teoriei a Totului și Episodul 393: Modelul Standard - Leptons & Quarks.

surse: