Lepton - Lepton

Gerações de Matéria
Categorias Fermion Geração de partículas elementares
Modelo Subtipo Primeiro Segundo Terceiro
Quarks
( colorido )
tipo para baixo baixa estranho fundo
up-type acima charme principal
Leptões
(sem cor)
carregada elétron muon Tauon
neutro neutrino de elétron neutrino de muon neutrino tau
Lepton
Beta Negative Decay.svg
Os léptons estão envolvidos em vários processos, como o decaimento beta .
Composição Partícula elementar
Estatisticas Fermiônico
Geração 1o, 2o, 3o
Interações Eletromagnetismo , Gravitação , Fraco
Símbolo

Antipartícula Antilepton (

)
Tipos 6 ( elétron , neutrino de elétron , múon , neutrino de múon , tau , neutrino de tau )
Carga elétrica +1 e , 0 e , -1 e
Carga de cor Não
Rodar 12

Na física de partículas , um leptão é uma partícula elementar de spin meio-inteiro ( spin 12 ) que não sofre interações fortes . Existem duas classes principais de léptons: léptons carregados (também conhecidos como léptons semelhantes a elétrons ou múons) e léptons neutros (mais conhecidos como neutrinos ). Os léptons carregados podem se combinar com outras partículas para formar várias partículas compostas , como átomos e positrônio , enquanto os neutrinos raramente interagem com qualquer coisa e, conseqüentemente, raramente são observados. O mais conhecido de todos os léptons é o elétron .

Existem seis tipos de leptões, conhecidos como sabores , agrupados em três gerações . Os léptons de primeira geração , também chamados de léptons eletrônicos , compreendem o elétron (
e-
) e o neutrino do elétron (
ν
e
); o segundo são os léptons muônicos , compreendendo o muon (
µ-
) e o neutrino do
múon (
ν
µ
); e o terceiro são os léptons tauônicos , compreendendo o tau (
τ-
) e o neutrino tau (
ν
τ
) Os elétrons têm a menor massa de todos os léptons carregados. Os múons e taus mais pesados ​​se transformarão rapidamente em elétrons e neutrinos por meio de um processo de decaimento de
partículas : a transformação de um estado de massa superior para um estado de massa inferior. Assim, os elétrons são estáveis ​​e os leptões carregados mais comuns no universo , enquanto os múons e os taus só podem ser produzidos em colisões de alta energia (como aquelas envolvendo raios cósmicos e aquelas realizadas em aceleradores de partículas ).

Os léptons têm várias propriedades intrínsecas , incluindo carga elétrica , spin e massa . Ao contrário dos quarks , no entanto, os léptons não estão sujeitos à interação forte , mas estão sujeitos às outras três interações fundamentais : gravitação , a interação fraca e ao eletromagnetismo , do qual este último é proporcional à carga e, portanto, é zero para o neutrinos eletricamente neutros.

Para cada sabor de leptão, existe um tipo correspondente de antipartícula , conhecido como antilepton, que difere do leptão apenas porque algumas de suas propriedades têm magnitude igual, mas sinal oposto . De acordo com certas teorias, os neutrinos podem ser suas próprias antipartículas . Não se sabe atualmente se este é o caso.

O primeiro leptão carregado, o elétron, foi teorizado em meados do século 19 por vários cientistas e foi descoberto em 1897 por JJ Thomson . O próximo leptão a ser observado foi o múon , descoberto por Carl D. Anderson em 1936, que na época foi classificado como méson . Após investigação, percebeu-se que o múon não possuía as propriedades esperadas de um méson, mas se comportava como um elétron, apenas com maior massa. Demorou até 1947 para que o conceito de "léptons" como uma família de partículas fosse proposto. O primeiro neutrino, o neutrino do elétron, foi proposto por Wolfgang Pauli em 1930 para explicar certas características do decaimento beta . Foi observado pela primeira vez no experimento de neutrino de Cowan-Reines conduzido por Clyde Cowan e Frederick Reines em 1956. O neutrino do múon foi descoberto em 1962 por Leon M. Lederman , Melvin Schwartz e Jack Steinberger , e o tau descoberto entre 1974 e 1977 por Martin Lewis Perl e seus colegas do Stanford Linear Accelerator Center e do Lawrence Berkeley National Laboratory . O neutrino tau permaneceu indescritível até julho de 2000, quando a colaboração DONUT do Fermilab anunciou sua descoberta.

Os léptons são uma parte importante do modelo padrão . Os elétrons são um dos componentes dos átomos , ao lado dos prótons e nêutrons . Átomos exóticos com múons e taus em vez de elétrons também podem ser sintetizados, bem como partículas leptônico-antilepton, como o positrônio .

Etimologia

O nome lepton vem do grego λεπτός leptós , "fino, pequeno, fino" ( forma singular neutra nominativa / acusativa: λεπτόν leptón ); a forma mais antiga atestada da palavra é o grego micênico 𐀩𐀡𐀵 , re-po-to , escrito em escrita silábica Linear B. Lepton foi usado pela primeira vez pelo físico Léon Rosenfeld em 1948:

Seguindo uma sugestão do Prof. C. Møller , eu adoto - como um pendente para "nucleon" - a denominação "lepton" (de λεπτός, pequeno, fino, delicado) para denotar uma partícula de pequena massa.

A etimologia implica incorretamente que todos os léptons são de pequena massa. Quando Rosenfeld os nomeou, os únicos léptons conhecidos eram elétrons e múons, cujas massas são de fato pequenas em comparação com os núcleos - a massa de um elétron (0,511  MeV / c 2 ) e a massa de um múon (com um valor de105,7 MeV / c 2 ) são frações da massa do próton "pesado" (938,3 MeV / c 2 ). No entanto, a massa do tau (descoberta em meados da década de 1970) (1777 MeV / c 2 ) é quase o dobro do próton e cerca de 3.500 vezes o do elétron.

História

Um múon transmuta em um neutrino de múon , emitindo um
C-
bóson
. o
C-
bóson subsequentemente decai em um elétron e um antineutrino de elétron .
Nomenclatura Lepton
Nome da partícula Nome da antipartícula
Elétron Antieletron
Positron
Neutrino de elétron Antineutrino eletrônico
Muon
Mu lepton
Mu
Antimuon
Antimu lepton
Antimu
Muon neutrino
muonico neutrino
Mu neutrino
Muon antineutrino
muonico antineutrino
antineutrino Mu
Tauon
Tau lepton
Tau
Antitauon
Antitau lepton
Antitau
Neutrino
tauon Neutrino tauônico Neutrino
tau
Tauon antineutrino
Tauon antineutrino
Tau antineutrino

O primeiro leptão identificado foi o elétron, descoberto por JJ Thomson e sua equipe de físicos britânicos em 1897. Então, em 1930, Wolfgang Pauli postulou o neutrino do elétron para preservar a conservação da energia , a conservação do momento e a conservação do momento angular no decaimento beta . Pauli teorizou que uma partícula não detectada estava carregando a diferença entre a energia , o momento e o momento angular das partículas iniciais e finais observadas. O neutrino do elétron era simplesmente chamado de neutrino, pois ainda não se sabia que os neutrinos tinham sabores diferentes (ou "gerações" diferentes).

Quase 40 anos após a descoberta do elétron, o múon foi descoberto por Carl D. Anderson em 1936. Devido à sua massa, foi inicialmente categorizado como um méson, em vez de um leptão. Mais tarde ficou claro que o múon era muito mais semelhante ao elétron do que aos mésons, já que os múons não sofrem a interação forte e, assim, o múon foi reclassificado: elétrons, múons e o neutrino (do elétron) foram agrupados em um novo grupo de partículas - os léptons. Em 1962, Leon M. Lederman , Melvin Schwartz e Jack Steinberger mostraram que mais de um tipo de neutrino existe detectando primeiro as interações do neutrino do múon , o que lhes valeu o Prêmio Nobel de 1988 , embora até então os diferentes sabores de neutrino já o tivessem foi teorizado.

O tau foi detectado pela primeira vez em uma série de experimentos entre 1974 e 1977 por Martin Lewis Perl com seus colegas do grupo SLAC LBL . Como o elétron e o múon, também se esperava que tivesse um neutrino associado. A primeira evidência de neutrinos tau veio da observação de energia "ausente" e momento no decaimento do tau, análogo à energia "ausente" e momento no decaimento beta, levando à descoberta do neutrino do elétron. A primeira detecção de interações de neutrino tau foi anunciada em 2000 pela colaboração DONUT no Fermilab , tornando-a a segunda a mais recente partícula do Modelo Padrão a ser observada diretamente, com o bóson de Higgs sendo descoberto em 2012.

Embora todos os dados presentes sejam consistentes com três gerações de leptões, alguns físicos de partículas estão procurando uma quarta geração. O limite inferior atual da massa desse quarto leptão carregado é100,8  GeV / c 2 , enquanto seu neutrino associado teria uma massa de pelo menos45,0  GeV / c 2 .

Propriedades

Giro e quiralidade

Helicópteros para canhotos e destros

Leptons são spin 1/2partículas. O teorema da estatística de spin implica, portanto, que eles são férmions e, portanto, estão sujeitos ao princípio de exclusão de Pauli : dois léptons da mesma espécie não podem estar no mesmo estado ao mesmo tempo. Além disso, significa que um leptão pode ter apenas dois estados de spin possíveis, a saber, para cima ou para baixo.

Uma propriedade intimamente relacionada é a quiralidade , que por sua vez está intimamente relacionada a uma propriedade mais facilmente visualizada chamada helicidade . A helicidade de uma partícula é a direção de seu spin em relação ao seu momento ; partículas com giro na mesma direção de seu momento são chamadas de destras e também de canhotas . Quando uma partícula não tem massa, a direção de seu momento em relação ao seu spin é a mesma em todos os referenciais, ao passo que para partículas massivas é possível 'ultrapassar' a partícula escolhendo um referencial de movimento mais rápido ; no quadro mais rápido, a helicidade é revertida. A quiralidade é uma propriedade técnica, definida através do comportamento de transformação no grupo Poincaré , que não muda com o referencial. É planejado para concordar com a helicidade para partículas sem massa e ainda é bem definido para partículas com massa.

Em muitas teorias de campo quântico , como a eletrodinâmica quântica e a cromodinâmica quântica , os férmions destros e canhotos são idênticos. No entanto, a interação Fraca do Modelo Padrão trata os férmions destros e canhotos de maneira diferente: Apenas os férmions canhotos (e antiférmions destros) participam da interação fraca . Este é um exemplo de violação de paridade escrita explicitamente no modelo. Na literatura, os campos canhotos são frequentemente denotados por um subscrito L maiúsculo (por exemplo, o elétron normal: e L - ) e os campos destros são denotados por um subscrito R maiúsculo (por exemplo, um pósitron e R + ).

Neutrinos destros e anti-neutrinos canhotos não têm interação possível com outras partículas ( ver neutrinos estéreis ) e, portanto, não são uma parte funcional do Modelo Padrão, embora sua exclusão não seja um requisito estrito; eles às vezes são listados em tabelas de partículas para enfatizar que não teriam nenhum papel ativo se incluídos no modelo. Mesmo que as partículas destras eletricamente carregadas (elétron, múon ou tau) não se envolvam na interação fraca especificamente, elas ainda podem interagir eletricamente e, portanto, ainda participam da força eletro-fraca combinada , embora com intensidades diferentes ( Y W )

Interação eletromagnética

Interação lepton-fóton

Um dos mais proeminentes propriedades de léptons é a sua carga elétrica , Q . A carga elétrica determina a força de suas interações eletromagnéticas . Ele determina a força do campo elétrico gerado pela partícula (ver lei de Coulomb ) e quão fortemente a partícula reage a um campo elétrico ou magnético externo (ver força de Lorentz ). Cada geração contém um leptão com e um leptão com carga elétrica zero. O lepton com carga elétrica é comumente referido simplesmente como um lepton carregado, enquanto um lepton neutro é chamado de neutrino . Por exemplo, a primeira geração consiste no elétron
e-
com uma carga elétrica negativa e o neutrino de elétron eletricamente neutro
ν
e
.

Na linguagem da teoria quântica de campos, a interação eletromagnética dos léptons carregados é expressa pelo fato de que as partículas interagem com o quantum do campo eletromagnético, o fóton . O diagrama de Feynman da interação elétron-fóton é mostrado à direita.

Como os léptons possuem uma rotação intrínseca na forma de seu spin, os léptons carregados geram um campo magnético. O tamanho do seu momento de dipolo magnético μ é dado por

onde m é a massa do leptão eg é o chamado "  fator g " para o leptão. A aproximação da mecânica quântica de primeira ordem prevê que o  fator g é 2 para todos os léptons. No entanto, os efeitos quânticos de ordem superior causados ​​por loops nos diagramas de Feynman introduzem correções neste valor. Essas correções, conhecidas como momento de dipolo magnético anômalo , são muito sensíveis aos detalhes de um modelo de teoria de campo quântico e, portanto, fornecem a oportunidade para testes de precisão do modelo padrão. Os valores teóricos e medidos para o momento de dipolo magnético anômalo do elétron estão de acordo com oito algarismos significativos. Os resultados para o múon , entretanto, são problemáticos , sugerindo uma pequena e persistente discrepância entre o modelo padrão e o experimento.

Interação fraca

Lepton-interação-vertex-evW.svg Lepton-interação-vertex-pvW.svg Lepton-interação-vertex-eeZ.svg
As interações fracas dos léptons de primeira geração.

No modelo padrão, o lépton carregado canhoto e o neutrino canhoto são arranjados em dupleto e L , e -
L
)
que se transforma narepresentação spinor ( T  =  12 ) dasimetria de calibre da isospin SU (2) fraca . Isso significa que essas partículas são autoestados da projeção de isospin T 3 com autovalores ++12 e -+12 respectivamente. Nesse ínterim, o leptão destro carregado se transforma em um escalar isospin fraco ( T  = 0) e, portanto, não participa da interação fraca , embora não haja nenhuma evidência de que exista um neutrino destro.

O mecanismo de Higgs recombina os campos de calibre das simetrias da isospin SU (2) fraca e da hipercarga U (1) fraca para três bósons vetoriais massivos (
C+
,
C-
,
Z0
) mediando a interação fraca , e um bóson vetorial sem massa, o fóton, responsável pela interação eletromagnética. A carga elétrica Q pode ser calculada a partir da projeção isospin T 3 e hipercarga fraca Y W através da fórmula de Gell-Mann-Nishijima ,

Q = T 3 + 12 Y W 

Para recuperar as cargas elétricas observadas para todas as partículas, o dubleto de isospin fraco canhoto e L , e -
L
)
deve, portanto, ter Y W  = −1, enquanto o escalar isospin destro e-
R
deve ter Y W  = −2. A interação dos léptons com os bósons de vetor de interação massiva fraca é mostrada na figura à direita.

Massa

No modelo padrão , cada leptão começa sem massa intrínseca. Os léptons carregados (ou seja, o elétron, múon e tau) obtêm uma massa efetiva por meio da interação com o campo de Higgs , mas os neutrinos permanecem sem massa. Por razões técnicas, a ausência de massa dos neutrinos implica que não há mistura das diferentes gerações de léptons carregados como ocorre com os quarks . A massa zero do neutrino está de acordo com as observações experimentais diretas atuais da massa.

No entanto, sabe-se de experimentos indiretos - mais proeminentemente de oscilações de neutrinos observadas - que os neutrinos devem ter uma massa diferente de zero, provavelmente menor queeV / c 2 . Isso implica a existência de física além do Modelo Padrão . A extensão atualmente mais favorecida é o chamado mecanismo de gangorra , o que explicaria por que os neutrinos canhotos são tão leves em comparação com os léptons carregados correspondentes, e por que ainda não vimos nenhum neutrino destro.

Números quânticos do sabor Lepton

Os membros do dupleto isospin fraco de cada geração são atribuídos a números leptônicos que são conservados no Modelo Padrão. Elétrons e neutrinos de elétrons têm um número eletrônico de L e  = 1 , enquanto múons e neutrinos de múons têm um número muônico de L μ  = 1 , enquanto as partículas tau e os neutrinos de tau têm um número tauônico de L τ  = 1 . Os antileptons têm seus respectivos números leptônicos de geração de -1 .

A conservação dos números leptônicos significa que o número de leptões do mesmo tipo permanece o mesmo, quando as partículas interagem. Isso implica que léptons e antileptons devem ser criados em pares de uma única geração. Por exemplo, os seguintes processos são permitidos sob a conservação de números leptônicos:

Cada geração forma um dupleto isospin fraco .

e-
+
e+

γ
,

τ-
+
τ+

Z0
,

mas não estes:


γ

e-
+
µ+
,

C-

e-
+
ν
τ
,

Z0

µ-
+
τ+
.

No entanto, sabe-se que as oscilações de neutrinos violam a conservação dos números leptônicos individuais. Tal violação é considerada uma prova fulminante para a física além do Modelo Padrão . A lei de conservação muito mais forte é a conservação do número total de léptons ( L com nenhum índice ), conservadas, mesmo no caso de oscilações de neutrinos, mas mesmo ele ainda é violado por uma pequena quantidade pela anomalia quiral .

Universalidade

O acoplamento de léptons a todos os tipos de bóson de calibre independe de sabor: a interação entre os léptons e um bóson de calibre mede o mesmo para cada leptão. Essa propriedade é chamada de universalidade do leptão e foi testada em medições das vidas úteis do múon e do tau e de
Z
larguras de decaimento parcial do bóson , particularmente nos experimentos Stanford Linear Collider (SLC) e Large Electron-Positron Collider (LEP).

A taxa de decaimento ( ) dos múons ao longo do processo 
µ-

e-
+
ν
e
+
ν
µ
 
é dado aproximadamente por uma expressão da forma (veja decaimento muon para mais detalhes)

onde K 2 é alguma constante e G F é a constante de acoplamento de Fermi . A taxa de decaimento das partículas de tau ao longo do processo 
τ-

e-
+
ν
e
+
ν
τ
 
é dado por uma expressão da mesma forma

onde K 3 é alguma outra constante. A universalidade muon-tauon implica que K 2K 3 . Por outro lado, a universalidade elétron-múon implica

Isso explica porque as taxas de ramificação para o modo eletrônico (17,82%) e o modo muônico (17,39%) de decaimento do tau são iguais (dentro do erro).

A universalidade também é responsável pela proporção de vidas de múon e tau. A vida útil de um leptão (com = " μ " ou " τ ") está relacionada à taxa de decaimento por

,

onde indica as proporções de ramificação e indica a largura de ressonância do processo com x e y substituída por duas partículas diferentes de " e " ou " μ " ou " τ ".

A proporção de vida de tau e múon é, portanto, dada por

O uso de valores da Revisão de Física de Partículas de 2008 para as razões de ramificação do múon e tau resulta em uma razão de vida de ~1,29 × 10 -7 , comparável à relação de vida útil medida de ~1,32 × 10 −7 . A diferença se deve ao fato de K 2 e K 3 não serem realmente constantes: eles dependem ligeiramente da massa de léptons envolvidos.

Testes recentes de universalidade do leptão em
B
decaimentos de mésons , realizados pelos experimentos LHCb , BaBar e Belle , mostraram desvios consistentes das previsões do Modelo Padrão. No entanto, a significância estatística e sistemática combinada ainda não é alta o suficiente para reivindicar uma observação da nova física .

Em julho de 2021, os resultados da universalidade do leptão foram publicados testando decaimentos W, as medições anteriores do LEP tinham dado um ligeiro desequilíbrio, mas a nova medição pela colaboração do ATLAS tem o dobro da precisão e fornece uma proporção que concorda com a previsão do modelo padrão de unidade

Tabela de léptons

Propriedades dos léptons
Spin
J

Nome da partícula ou antipartícula
Símbolo Cobrar
Q
( e )
Número do sabor Lepton Massa
( MeV / c 2 )
Tempo de vida
( segundos )
L e L μ L τ
 1 /2 Elétron
e-
-1 +1 0 0 0,510998910 
(± 13)
Estábulo
Positron
e+
+1 -1
Muon
µ-
-1 0 +1 0 105,6583668 
(± 38)
2,197019 × 10 −6
(± 21)        
Antimuon
µ+
+1 -1
Tau
τ-
-1 0 0 +1 1776,84 
(± 0,17)
2,906 × 10 −13
(± 0,010)         
Antitau
τ+
+1 -1
Neutrino de elétron
ν
e
0 +1 0 0 <0,0000022 Desconhecido
Antineutrino eletrônico
ν
e
-1
Neutrino de muon
ν
µ
0 0 +1 0 <0,17 Desconhecido
Muon antineutrino
ν
µ
-1
Neutrino tau
ν
τ
0 0 0 +1 <15,5 Desconhecido
Tau antineutrino
ν
τ
-1

Veja também

Notas

Referências

links externos