MITä LEPTONIT OVAT?

Send

1800- ja 1900-luvuilla fyysikot alkoivat koettaa syvällisesti aineen ja energian luonnetta. Näin tehdessään he tajusivat nopeasti, että heitä hallitsevat säännöt hämärtyvät yhä syvemmälle. Vaikka ennen vallitseva teoria oli, että kaikki aine koostui jakautumattomista atomista, tutkijat alkoivat ymmärtää, että atomit koostuvat itsekin vielä pienemmistä hiukkasista.

Näistä tutkimuksista syntyi hiukkasfysiikan standardimalli. Tämän mallin mukaan kaikki maailmankaikkeuden aine koostuu kahdentyyppisistä hiukkasista: hadronista - josta iso nimi on Hadron Collider (LHC) - ja leptonista. Kun hadronit koostuvat muista alkuainehiukkasista (kvarkit, antikvarkit jne.), Leptonit ovat alkuainehiukkasia, jotka esiintyvät yksinään.

Määritelmä:

Sana lepton tulee kreikasta Leptos, joka tarkoittaa ”pieni”, “hieno” tai “ohut”. Sanan ensimmäisen kirjaaman käytön oli fyysikko Leon Rosenfeld kirjassaanYdinvoimat (1948). Kirjassa hän määritteli sanan käytön tanskalaisen kemian ja fyysikon prof. Christian Mollerin ehdotukselle.

Termi valittiin viittaamaan hiukkasiin, joiden massa on pieni, koska Rosenfeldin aikoina ainoat tunnetut leptonit olivat muonit. Nämä alkuainehiukkaset ovat yli 200 kertaa massiivisemmat kuin elektronit, mutta niiden on vain noin yhdeksäs protonin massa. Kvarkkien lisäksi leptonit ovat aineen perusrakenteita, ja siksi niitä pidetään ”alkuainehiukkasina”.

Leptonien tyypit:

Standardimallin mukaan leptoneja on kuusi erityyppistä. Näitä ovat elektroni-, muoni- ja tau-hiukkaset, samoin kuin niihin liittyvät neutriinot (ts. Elektronineutriino, muoni-neutriino ja tau-neutriino). Leptoneilla on negatiivinen varaus ja selkeä massa, kun taas niiden neutriinoilla on neutraali varaus.

Elektronit ovat kevyimpiä, niiden massa on 0,000511 gigaelektronvolttia (GeV), kun taas muonien massa on 0,1066 Gev ja Tau-hiukkasten (raskain) massa on 1,777 Gev. Alkuainehiukkasten erilaisia lajikkeita kutsutaan yleisesti “makuiksi”. Vaikka jokainen kolmesta leptonimausta on erilainen ja selkeä (vuorovaikutuksessa muiden hiukkasten kanssa), ne eivät ole muuttumattomia.

Neutriino voi muuttaa makuaan, tätä prosessia kutsutaan ”neutriino-maun värähtelyksi”. Tämä voi tapahtua monissa muodoissa, mukaan lukien aurinko-neutriino, ilmakehän neutriino, ydinreaktori tai säteen värähtelyt. Kaikissa havaituissa tapauksissa värähtelyt vahvistettiin sillä, mikä näytti olevan alijäämä luotavien neutriinojen lukumäärässä.

Yksi havaittu syy liittyy ”muonien hajoamiseen” (ks. Alla), prosessiin, jossa muonit muuttavat makuaan tullakseen elektronineutriinoiksi tai tau-neutriinoiksi olosuhteista riippuen. Lisäksi kaikilla kolmella leptonilla ja niiden neutriinoilla on liittyvä hiukkasten vastainen hiukkas (antileptoni).

Kummallakin antileptoneilla on identtinen massa, mutta kaikki muut ominaisuudet ovat päinvastaiset. Nämä parit koostuvat elektronista / positronista, muonista / antimonista, tau / antitausta, elektronisesta neutriino / elektroni-antineutrino, muoni-neutriino / muan-antinuetrino ja tau-neutrino / tau-antineutrino.

Nykyisessä standardimallissa oletetaan, että leptoneja, joissa on niihin liittyviä neutriinoja, on vain kolme tyyppiä (eli "sukupolvia"). Tämä sopii yhteen kokeellisen näytön kanssa, jolla yritetään mallintaa nukleosynteesin prosessia Ison räjähdyksen jälkeen, jolloin yli kolmen leptonin olemassaolo olisi vaikuttanut heliumin runsauteen varhaisessa maailmankaikkeudessa.

Ominaisuudet:

Kaikilla leptoneilla on negatiivinen varaus. Niillä on myös sisäinen kierto spininsä muodossa, mikä tarkoittaa, että sähkövarauksella elektronit - ts. "Varautuneet leptonit" - tuottavat magneettikenttiä. Ne kykenevät vuorovaikutuksessa muiden aineiden kanssa vain heikot sähkömagneettiset voimat. Viime kädessä niiden varaus määrää näiden vuorovaikutusten voimakkuuden, samoin kuin heidän sähkökentänsä voimakkuuden ja sen, kuinka ne reagoivat ulkoisiin sähkö- tai magneettikenttiin.

Kukaan ei kuitenkaan kykene vuorovaikuttamaan aineen kanssa voimakkaiden voimien kautta. Vakiomallissa jokainen leptoni alkaa ilman sisäistä massaa. Varatut leptonit saavat tehokkaan massan vuorovaikutuksessa Higgs-kentän kanssa, kun taas neutriinot joko pysyvät massattomina tai niiden massa on vain hyvin pieni.

Opintohistoria:

Ensimmäinen tunnistettava leptoni oli elektroni, jonka brittiläinen fyysikko J.J. Thomson ja hänen kollegansa vuonna 1897 käyttämällä katodisädeputkikokeita. Seuraavat löytöt tulivat 1930-luvulla, mikä johtaisi uuden luokituksen luomiseen heikosti vuorovaikutuksessa oleville hiukkasille, jotka olivat samanlaisia kuin elektronit.

Ensimmäisen löytön teki itävaltalais-sveitsiläinen fyysikko Wolfgang Pauli vuonna 1930, joka ehdotti elektronin neutriino olemassaoloa ratkaistakseen tavat, joilla beetahajoaminen oli ristiriidassa energian säilyttämistä koskevan lain ja Newtonin liikettä säätelevien lakien (erityisesti Kulmaisen momentin vauhti ja säilyminen).

Positronin ja kuonon löysi Carl D. Anders vuonna 1932 ja 1936 vastaavasti. Kuonin massan vuoksi se alun perin oli väärin mesonille. Mutta sen käyttäytymisen (joka muistutti elektronin käyttäytymistä) ja sen tosiasian takia, että sillä ei ollut voimakasta vuorovaikutusta, kuoni luokiteltiin uudelleen. Yhdessä elektronin ja elektronineutronon kanssa siitä tuli osa uutta hiukkasryhmää, joka tunnetaan nimellä “leptonit”.

Vuonna 1962 amerikkalaisten fyysikkojen ryhmä - joka koostui Leon M. Ledermanista, Melvin Schwartzista ja Jack Steinbergeristä - pystyi havaitsemaan muonineutriinojen aiheuttamat vuorovaikutukset osoittaen siten, että olemassa oli enemmän kuin yksi neutrinootyyppi. Samaan aikaan teoreettiset fyysikot postuloivat monien muiden neutriinojen makujen olemassaoloa, mikä lopulta vahvistetaan kokeellisesti.

Tau-partikkeli seurasi 1970-luvulla Nobel-palkinnon voittaneen fyysikon Martin Lewis Perlin ja hänen kollegoidensa SLAC-kansallisessa kiihdytinlaboratoriossa suorittamien kokeiden ansiosta. Todisteita siihen liittyvästä neutriinosta seurasi tau-hajoamisen tutkimus, joka osoitti puuttuvan energian ja vauhdin, joka oli analoginen puuttuvan energian ja vauhdin kanssa, jonka elektronien beetahajoaminen aiheutti.

Vuonna 2000 tau-neutriinoa havaittiin suoraan NU Tau (DONUT) -kokeen suoran havainnon ansiosta Fermilabissa. Tämä olisi standardimallin viimeinen hiukkas, jota on tarkkailtava vuoteen 2012 saakka, kun CERN ilmoitti havainneensa hiukkasen, joka oli todennäköisesti kauan kysytty Higgs Boson.

Nykyään jotkut hiukkasfyysikot uskovat, että on olemassa leptoneja, jotka odottavat vielä löytämistä. Nämä "neljännen sukupolven" hiukkaset, mikäli ne ovat todella todellisia, olisivat hiukkasfysiikan standardimallin ulkopuolella ja todennäköisesti vuorovaikutuksessa aineen kanssa vielä eksoottisemmilla tavoilla.

Olemme kirjoittaneet monia mielenkiintoisia artikkeleita leptoneista ja alaatomisista hiukkasista täällä Space Magazine -lehdessä. Tässä on Mitä ovat subatomiset hiukkaset ?, Mitä ovat baryonit ?, LHC: n ensimmäiset törmäykset, kaksi uutta löydettyä subatomista hiukkasta, ja fyysikot, ehkä, vain ehkä, vahvistavat luonnon viidennen voiman mahdollisen löytön.

Jos haluat lisätietoja, SLAC: n virtuaalivierailukeskuksessa on hyvä johdanto Leptoneihin ja muista tutustua partikkelifysiikan (Partical Data Group, PDG) katsaukseen.

Tähtitiedeosalla on myös jaksoja aiheesta. Tässä jakso 106: Kaikkien teoriahaku ja jakso 393: Vakiomalli - Leptonit ja kvarkit.

Lähteet: