MIS ON LEPTONS?

Send

19. ja 20. sajandi jooksul hakkasid füüsikud uurima sügavalt aine ja energia olemust. Seda tehes mõistsid nad kiiresti, et neid reguleerivad reeglid muutuvad üha hägusemaks, mida sügavamale minna. Kui varem oli valdav teooria, et kogu aine koosnes jagamatutest aatomitest, siis teadlased hakkasid mõistma, et aatomid koosnevad iseenesest veelgi väiksematest osakestest.

Nendest uuringutest sündis osakeste füüsika standardmudel. Selle mudeli kohaselt koosneb kogu universumis olev mateeria kahte tüüpi osakestest: hadronitest - millest nimi saab suure hadronite põrkeseadme (LHC) - ja leptonitest. Kui hadronid koosnevad muudest elementaarsetest osakestest (kvargid, antikvargid jne), on leptonid elementaarsed osakesed, mis eksisteerivad iseseisvalt.

Definitsioon:

Sõna lepton pärineb kreeka keelest leptosid, mis tähendab “väike”, “peen” või “õhuke”. Selle sõna esmakordsel kasutamisel oli füüsik Leon Rosenfeld oma raamatusTuumajõud (1948). Raamatus omistas ta sõnakasutuse Taani keemiku ja füüsiku prof Christian Molleri soovitusele.

Mõiste valiti tähistama väikese massiga osakesi, kuna Rosenfeldi ajal olid ainsad teadaolevad leptonid müonid. Need elementaarosakesed on üle 200 korra massiivsemad kui elektronid, kuid nende prootonmass on ainult umbes üheksas. Koos kvarkidega on leptonid mateeria peamised ehitusplokid ja seetõttu peetakse neid „elementaarosakesteks”.

Leptoonide tüübid:

Standardmudeli järgi on leptone kuut erinevat tüüpi. Nende hulka kuuluvad elektronide, muoni ja tau osakesed, samuti nendega seotud neutriinod (st elektronide neutriino, müoni neutriino ja tau neutriino). Leptonitel on negatiivne laeng ja selge mass, samas kui nende neutriinodel on neutraalne laeng.

Elektrone on kõige kergem, nende mass on 0,000511 gigaelektronvolti (GeV), samas kui Muonide mass on 0,1066 Gev ja Tau osakeste (kõige raskemad) mass on 1,777 Gev. Elementaarsete osakeste erinevaid sorte nimetatakse tavaliselt maitseteks. Ehkki kõik kolm leptoni maitset on erinevad ja eristuvad (nende koostoime osas teiste osakestega), pole need siiski muutumatud.

Neutriino võib muuta oma maitset, seda protsessi nimetatakse nn neutriino maitse võnkumiseks. Sellel võib olla mitmeid vorme, sealhulgas päikeseline neutriino, atmosfääri neutriino, tuumareaktor või kiirte võnkumised. Kõigil täheldatud juhtudel kinnitas võnkumisi see, mis näis olevat loodavate neutriinode arvu defitsiit.

Üks täheldatud põhjus on seotud müoonide lagunemisega (vt allpool) - protsess, mille käigus muunid muudavad oma maitse elektronide neutriinodeks või tau neutriinodeks - sõltuvalt asjaoludest. Lisaks on kõigil kolmel leptonil ja nende neutriinodel seotud osakestevastane aine (antilepton).

Kõigil antileptonitel on identne mass, kuid kõik muud omadused on vastupidised. Need paarid koosnevad elektronist / positronist, müonist / antimonist, tau / antitaust, elektronist neutriino / elektronide antineutrino, müon neutriino / muan antinuetrino ja tau neutrino / tau antineutrino.

Käesolev standardmudel eeldab, et leptone, millel on nendega seotud neutriinoid, pole rohkem kui kolme tüüpi (teise nimega “põlvkonnad”). See on kooskõlas eksperimentaalsete tõenditega, mis püüavad modelleerida nukleosünteesi protsessi pärast suurt pauku, kus rohkem kui kolme leptoni olemasolu oleks mõjutanud heeliumi arvukust varases universumis.

Omadused:

Kõigil letoonidel on negatiivne laeng. Neil on ka spinni vormis sisemine pöörlemine, mis tähendab, et elektrilaenguga elektronid - st. "Laetud leptonid" - tekitavad magnetvälju. Nad suudavad teiste ainetega suhelda ainult nõrkade elektromagnetiliste jõudude kaudu. Lõppkokkuvõttes määrab nende laeng nende interaktsioonide tugevuse, samuti nende elektrivälja tugevuse ja selle, kuidas nad reageerivad välistele elektrilistele või magnetväljadele.

Ükski neist ei ole võimeline mateeriaga tugevate jõudude kaudu suhelda. Standardmudelis algab iga leptoni sisemine mass. Laetud leptonid saavutavad efektiivse massi interaktsioonide kaudu Higgsi väljaga, samas kui neutriinod jäävad kas massimata või nende massid on väga väikesed.

Õppe ajalugu:

Esimene tuvastatud lepton oli elektron, mille avastas Briti füüsik J.J. Thomson ja tema kolleegid kasutasid 1897. aastal kineskoobi katsetuste sarja. Järgmised avastused tehti 1930. aastatel, mille tulemusel loodi uus klassifikatsioon nõrgalt interakteeruvatele osakestele, mis olid sarnased elektronidega.

Esimese avastuse tegi 1930. aastal Austria-Šveitsi füüsik Wolfgang Pauli, kes tegi ettepaneku elektronneutriino olemasolu kohta, et lahendada viisid, kuidas beeta lagunemine on vastuolus energia säästmise seadusega ja Newtoni liikumisseadustega (eriti Nurkmomendi hoog ja säilitamine).

Positroni ja müoni avastas Carl D. Anders vastavalt 1932. ja 1936. aastal. Kuuli massi tõttu oli see algselt mesoni jaoks vale. Kuid tänu oma käitumisele (mis sarnanes elektroni omaga) ja asjaolule, et see ei läbinud tugevat interaktsiooni, klassifitseeriti koon ümber. Koos elektroni ja elektronneutrinoga sai sellest osa uuest osakeste rühmast, mida tuntakse “leptonitena”.

Aastal 1962 suutis Ameerika füüsikute meeskond - kuhu kuulusid Leon M. Lederman, Melvin Schwartz ja Jack Steinberger - tuvastada müoni neutriino interaktsioone, näidates seega, et olemas on rohkem kui üks tüüpi neutriino. Samal ajal postuleerisid teoreetilised füüsikud paljude muude neutriinode maitse olemasolu, mida lõpuks ka eksperimentaalselt kinnitatakse.

Tau osake järgnes 1970. aastatel tänu Nobeli preemia võitnud füüsiku Martin Lewis Perli ja tema kolleegide poolt SLAC riikliku kiirendi laboris läbi viidud katsetele. Sellega seotud neutriino saamine leidis aset tänu tau lagunemise uuringule, mis näitas puuduvat energiat ja impulssi, mis on analoogne puuduva energia ja impulsiga, mille põhjustas elektronide beeta lagunemine.

Aastal 2000 täheldati tau neutriino otseselt tänu NU Tau (DONUT) eksperimendi otsesele vaatlusele Fermilabis. See oleks standardmudeli viimane osake, mida tuleb jälgida kuni 2012. aastani, kui CERN teatas, et tuvastas osakese, mis oli tõenäoliselt kauaoodatud Higgsi Boson.

Tänapäeval on osa osakestefüüsikuid, kes usuvad, et leidmist veel ootab leptoneid. Need "neljanda põlvkonna" osakesed, kui need on tõepoolest reaalsed, eksisteeriksid osakeste füüsika tavamudelist kaugemal ja interakteeruksid ainega tõenäoliselt veelgi eksootilisematel viisidel.

Oleme siin ajakirjas Space Magazine kirjutanud palju huvitavaid artikleid leptonite ja alaatomiliste osakeste kohta. Siin on Mis on subatomaatilised osakesed ?, Mis on baryonid? LHC esimesed kokkupõrked, leitud kaks uut subatomaatilist osakest ja füüsikud - võib-olla, lihtsalt võib-olla, kinnitage 5. loodusjõu võimalikku avastamist.

Lisateabe saamiseks on SLAC-i virtuaalses külastuskeskuses hea tutvustus Leptoonidega ja kindlasti tutvuge osakeste andmete rühma (PDG) ülevaatega osakeste füüsikast.

Astronoomiaosakonnal on selle teema kohta ka episoode. Siin on episood 106: kõige teooria otsimine ja jaotis 393: standardmudel - Leptonid ja kvargid.

Allikad: