Lepton

Clase de partículas elementales que no sufren interacciones fuertes.

Para otros usos, consulte Lepton (desambiguación) .

Clasificación de la materia

Tipo	Generaciones de materia
	Primero	Segundo	Tercero
Quarks
tipo up	arriba	encanto	cima
tipo abajo	abajo	extraño	fondo
Leptones
cargado	electrón	muon	tau
neutral	neutrino electrónico	neutrino muón	neutrino tau

Lepton

Los leptones están involucrados en varios procesos como la desintegración beta .
Composición	Partícula elemental
Estadísticas	Fermiónico
Generacion	1ro, 2do, 3ro
Interacciones	Electromagnetismo , Gravitación , Débil
Símbolo	ℓ
Antipartícula	Antilepton ( ℓ )
Tipos	6 ( electrón , neutrino electrónico , muón , neutrino muón , tau , neutrino tau )
Carga eléctrica	+1 e , 0 e , −1 e
Carga de color	No
Girar	1 / 2

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En la física de partículas , un leptón es una partícula elemental de giro de medio entero ( espín ¹ / ₂ ) que no experimentan interacciones fuertes . ^[1] Existen dos clases principales de leptones: leptones cargados (también conocidos como leptones o muones similares a electrones ) y leptones neutros (más conocidos como neutrinos ). Los leptones cargados pueden combinarse con otras partículas para formar varias partículas compuestas , como átomos y positronio., mientras que los neutrinos rara vez interactúan con algo y, en consecuencia, rara vez se observan. El más conocido de todos los leptones es el electrón .

Hay seis tipos de leptones, conocidos como sabores , agrupados en tres generaciones . ^[2] Los leptones de primera generación , también llamados leptones electrónicos , comprenden el electrón (
mi^-
) y el neutrino de electrones (
ν
_mi); el segundo son los leptones muónicos , que comprenden el muón (
μ^-
) y el neutrino muón (
ν
_μ); y el tercero son los leptones tauónicos , que comprenden la tau (
τ^-
) y el neutrino tau (
ν
_τ). Los electrones tienen la menor masa de todos los leptones cargados. Los muones y taus más pesados ​​se convertirán rápidamente en electrones y neutrinos a través de un proceso de desintegración de partículas : la transformación de un estado de mayor masa a un estado de menor masa. Así, los electrones son estables y el leptón cargado más común en el universo , mientras que los muones y taus solo pueden producirse en colisiones de alta energía (como las que involucran rayos cósmicos y las que se llevan a cabo en aceleradores de partículas ).

Los leptones tienen varias propiedades intrínsecas , incluida la carga eléctrica , el giro y la masa . Sin embargo, a diferencia de los quarks , los leptones no están sujetos a la interacción fuerte , pero están sujetos a las otras tres interacciones fundamentales : la gravitación , la interacción débil y el electromagnetismo , del cual este último es proporcional a la carga y, por lo tanto, es cero para la neutrinos eléctricamente neutros.

Para cada sabor de leptón, existe un tipo correspondiente de antipartícula , conocido como antileptón, que se diferencia del leptón solo en que algunas de sus propiedades tienen la misma magnitud pero signo opuesto . Según ciertas teorías, los neutrinos pueden ser su propia antipartícula . Actualmente no se sabe si este es el caso.

El primer leptón cargado, el electrón, fue teorizado a mediados del siglo XIX por varios científicos ^{[3] [4] [5]} y fue descubierto en 1897 por JJ Thomson . ^[6] El siguiente leptón que se observó fue el muón , descubierto por Carl D. Anderson en 1936, que fue clasificado como mesón en ese momento. ^[7] Después de la investigación, se descubrió que el muón no tenía las propiedades esperadas de un mesón, sino que se comportaba como un electrón, solo que con mayor masa. Fue necesario hasta 1947 para que se propusiera el concepto de "leptones" como familia de partículas. ^[8] El primer neutrino, el electrón neutrino, fue propuesto porWolfgang Pauli en 1930 para explicar ciertas características de la desintegración beta . ^[8] Fue observado por primera vez en el experimento de neutrinos de Cowan-Reines realizado por Clyde Cowan y Frederick Reines en 1956. ^{[8] [9]} El neutrino muónico fue descubierto en 1962 por Leon M. Lederman , Melvin Schwartz y Jack Steinberger . ^[10] y el tau descubierto entre 1974 y 1977 por Martin Lewis Perl y sus colegas del Stanford Linear Accelerator Center y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley .^[11] El neutrino tau permaneció esquivo hasta julio de 2000, cuando la colaboración DONUT de Fermilab anunció su descubrimiento. ^{[12] [13]}

Los leptones son una parte importante del modelo estándar . Los electrones son uno de los componentes de los átomos , junto con los protones y neutrones . También se pueden sintetizar átomos exóticos con muones y taus en lugar de electrones, así como partículas leptón-antileptón como el positronio .

Etimología

El nombre lepton proviene del griego λεπτός leptós , "fino, pequeño, delgado" ( forma singular nominativo / acusativo neutro : λεπτόν leptón ); ^{[14] [15]} la forma más antigua atestiguada de la palabra es el griego micénico 𐀩𐀡𐀵 , re-po-to , escrito en escritura silábica Lineal B. ^[16] Lepton fue utilizado por primera vez por el físico Léon Rosenfeld en 1948: ^[17]

Siguiendo una sugerencia del Prof. C. Møller , adopto, como pendiente de "nucleon", la denominación "lepton" (de λεπτός, pequeño, delgado, delicado) para denotar una partícula de masa pequeña.

La etimología implica incorrectamente que todos los leptones son de masa pequeña. Cuando Rosenfeld los nombró, los únicos leptones conocidos eran electrones y muones, cuyas masas son de hecho pequeñas en comparación con los nucleones: la masa de un electrón (0,511  MeV / c 2 ) ^[18] y la masa de un muón (con un valor de105,7 MeV / c ² ) ^[19] son fracciones de la masa del protón "pesado" (938,3 MeV / c ² ). ^[20] Sin embargo, la masa de la tau (descubierta a mediados de la década de 1970) (1777 MeV / c ² ) ^[21] es casi el doble que la del protón y unas 3500 veces la del electrón.

Historia

Ver también: Electron § Descubrimiento , Muon § Historia y Tau (partícula) § Historia

Un muón se transmuta en un neutrino muónico emitiendo unW-bosón . El
W^-
Posteriormente, el bosón se desintegra en un electrón y un electrón antineutrino .

Nomenclatura de leptones

Nombre de la partícula	Nombre de la antipartícula
Electrón	Positrón antielectrónico
Neutrino de electrones	Antineutrino de electrones
Muon Mu lepton Mu	Antimuon Antimu lepton Antimu
Neutrino muónico Neutrino muónico Neutrino mu	Antineutrino muónico Antineutrino muónico Antineutrino mu
Tauon Tau lepton Tau	Antitauon Antitau lepton Antitau
Tauon neutrino Tauonic neutrino Tau neutrino	Tauon antineutrino Tauonic antineutrino Tau antineutrino

El primer leptón identificado fue el electrón, descubierto por JJ Thomson y su equipo de físicos británicos en 1897. ^{[22] [23]} Luego, en 1930, Wolfgang Pauli postuló el neutrino electrónico para preservar la conservación de la energía , la conservación del impulso y la conservación de momento angular en la desintegración beta . ^[24] Pauli teorizó que una partícula no detectada se estaba llevando la diferencia entre la energía , el momento y el momento angular.de las partículas iniciales y finales observadas. El electrón neutrino se llamó simplemente neutrino, ya que aún no se sabía que los neutrinos venían en diferentes sabores (o diferentes "generaciones").

Casi 40 años después del descubrimiento del electrón, el muón fue descubierto por Carl D. Anderson en 1936. Debido a su masa, inicialmente se clasificó como un mesón en lugar de un leptón. ^[25] Más tarde quedó claro que el muón era mucho más similar al electrón que a los mesones, ya que los muones no experimentan la interacción fuerte y, por lo tanto, el muón se reclasificó: los electrones, los muones y el neutrino (electrón) se agruparon en un nuevo grupo de partículas: los leptones. En 1962, Leon M. Lederman , Melvin Schwartz y Jack Steinberger demostraron que existe más de un tipo de neutrino al detectar primero las interacciones del muónneutrino, que les valió el Premio Nobel de 1988 , aunque para entonces ya se habían teorizado los diferentes sabores de neutrino. ^[26]

La tau fue detectada por primera vez en una serie de experimentos entre 1974 y 1977 por Martin Lewis Perl con sus colegas del grupo SLAC LBL . ^[27] Al igual que el electrón y el muón, también se esperaba que tuviera un neutrino asociado. La primera evidencia de los neutrinos tau provino de la observación de la energía y el momento "perdidos" en la desintegración de tau, análoga a la energía y el momento "perdidos" en la desintegración beta que condujeron al descubrimiento del neutrino electrónico. La primera detección de interacciones de neutrinos tau fue anunciada en 2000 por la colaboración DONUT en Fermilab , lo que la convierte en la segunda y última partícula del modelo estándar.haber sido observado directamente, ^[28] con el bosón de Higgs descubierto en 2012.

Aunque todos los datos actuales son consistentes con tres generaciones de leptones, algunos físicos de partículas están buscando una cuarta generación. El límite inferior actual de la masa de un cuarto leptón cargado es100,8  GeV / c 2 , ^[29] mientras que su neutrino asociado tendría una masa de al menos45,0  GeV / c 2 . ^[30]

Propiedades

Giro y quiralidad

Helicidades para diestros y zurdos

Los leptones giran 1/2partículas. El teorema de la estadística de espín implica, por tanto, que son fermiones y, por tanto, están sujetos al principio de exclusión de Pauli : dos leptones de la misma especie no pueden estar en el mismo estado al mismo tiempo. Además, significa que un leptón solo puede tener dos posibles estados de giro, a saber, hacia arriba o hacia abajo.

Una propiedad estrechamente relacionada es la quiralidad , que a su vez está estrechamente relacionada con una propiedad más fácilmente visualizada llamada helicidad . La helicidad de una partícula es la dirección de su giro en relación con su momento ; las partículas con giro en la misma dirección que su momento se denominan diestros y de otro modo se denominan zurdos . Cuando una partícula no tiene masa, la dirección de su momento en relación con su giro es la misma en todos los marcos de referencia, mientras que para las partículas masivas es posible 'adelantar' a la partícula eligiendo un marco de referencia que se mueva más rápido.; en el marco más rápido, la helicidad se invierte. La quiralidad es una propiedad técnica, definida a través del comportamiento de transformación bajo el grupo de Poincaré , que no cambia con el marco de referencia. Está ideado para coincidir con la helicidad para partículas sin masa, y todavía está bien definido para partículas con masa.

En muchas teorías cuánticas de campos , como la electrodinámica cuántica y la cromodinámica cuántica , los fermiones zurdos y diestros son idénticos. Sin embargo, la interacción débil del modelo estándar trata a los fermiones diestros y zurdos de manera diferente: solo los fermiones zurdos (y los anti-fermiones diestros) participan en la interacción débil . Este es un ejemplo de violación de paridad escrito explícitamente en el modelo. En la literatura, los campos para zurdos a menudo se indican con un subíndice L mayúsculo (por ejemplo, el electrón normal: e _L ^- ) y los campos para diestros se indican con una R mayúsculasubíndice (por ejemplo, un positrón e _R ⁺ ).

Los neutrinos diestros y antineutrinos zurdos no tienen interacción posible con otras partículas ( ver neutrinos estériles ) y por lo tanto no son una parte funcional del Modelo Estándar, aunque su exclusión no es un requisito estricto; a veces se enumeran en tablas de partículas para enfatizar que no tendrían un papel activo si se incluyeran en el modelo. Aunque las partículas diestras cargadas eléctricamente (electrón, muón o tau) no participan específicamente en la interacción débil, aún pueden interactuar eléctricamente y, por lo tanto, aún participar en la fuerza electro-débil combinada , aunque con diferentes fuerzas ( Y W ).

Interacción electromagnética

Interacción leptón-fotón

Una de las propiedades más importantes de los leptones es su carga eléctrica , Q . La carga eléctrica determina la fuerza de sus interacciones electromagnéticas . Determina la fuerza del campo eléctrico generado por la partícula (consulte la ley de Coulomb ) y la fuerza con la que reacciona la partícula a un campo eléctrico o magnético externo (consulte la fuerza de Lorentz ). Cada generación contiene un leptón con ^[a] y un leptón con carga eléctrica cero. El leptón con carga eléctrica se denomina comúnmente simplemente "leptón cargado", mientras que el leptón neutro se denomina neutrino. Por ejemplo, la primera generación consiste en el electrón${\displaystyle \;Q=-e\;}$
mi^-
con una carga eléctrica negativa y el neutrino electrónico eléctricamente neutro
ν
_mi.

En el lenguaje de la teoría cuántica de campos, la interacción electromagnética de los leptones cargados se expresa por el hecho de que las partículas interactúan con el cuanto del campo electromagnético, el fotón . El diagrama de Feynman de la interacción electrón-fotón se muestra a la derecha.

Debido a que los leptones poseen una rotación intrínseca en la forma de su espín, los leptones cargados generan un campo magnético. El tamaño de su momento dipolar magnético μ viene dado por

${\displaystyle \;\mu =g\,{\frac {\;Q\hbar \;}{4m}}\;,}$

donde m es la masa del leptón yg es el llamado factor g del leptón. La aproximación mecánica cuántica de primer orden predice que el factor g es 2 para todos los leptones. Sin embargo, los efectos cuánticos de orden superior causados ​​por bucles en los diagramas de Feynman introducen correcciones a este valor. Estas correcciones, conocidas como el momento dipolar magnético anómalo , son muy sensibles a los detalles de un modelo de teoría cuántica de campos y, por lo tanto, brindan la oportunidad de realizar pruebas de precisión del modelo estándar. Los valores teóricos y medidos para el momento dipolar magnético anómalo del electrón concuerdan con ocho cifras significativas. ^[31]Sin embargo, los resultados para el muón son problemáticos .

Interacción débil

Las interacciones débiles de los leptones de primera generación.

En el modelo estándar, el leptón cargado zurdo y el neutrino zurdo están dispuestos en doblete (ν _{e L} , e ^-
_L) Que se transforma en la spinor representación ( T  = ¹ / ₂ ) de la débil isospín SU (2) medidor de simetría. Esto significa que estas partículas son estados propios de la proyección isospin T ₃ con valores propios + ¹ / ₂ y - ¹ ⁄ ₂ respectivamente. Mientras tanto, el leptón cargado de la mano derecha se transforma en un escalar de isospín débil ( T  = 0) y, por lo tanto, no participa en la interacción débil , mientras que no hay evidencia de que exista un neutrino de la mano derecha.

El mecanismo de Higgs recombina los campos gauge de las simetrías SU (2) de isospín débil y U (1) de hipercarga débil en tres bosones vectoriales masivos (
W⁺
,
W^-
,
Z⁰
) que media la interacción débil , y un bosón de vector sin masa, el fotón, responsable de la interacción electromagnética. La carga eléctrica Q se puede calcular a partir de la proyección de isospín T ₃ y la hipercarga débil Y _W mediante la fórmula de Gell-Mann-Nishijima ,

Q = T ₃ + ¹ / ₂ Y _W 

Para recuperar las cargas eléctricas observadas para todas las partículas, el doblete isospin débil de la mano izquierda {{nowrap | (ν _{e L} , e^-
_L) debe tener Y _W  = −1, mientras que el escalar e isospín de la mano derecha^-
_Rdebe tener Y _W  = −2. La interacción de los leptones con los bosones del vector de interacción débil masiva se muestra en la figura de la derecha.

Misa

En el modelo estándar , cada leptón comienza sin masa intrínseca. Los leptones cargados (es decir, el electrón, el muón y la tau) obtienen una masa efectiva a través de la interacción con el campo de Higgs , pero los neutrinos permanecen sin masa. Por razones técnicas, la falta de masa de los neutrinos implica que no hay mezcla de las diferentes generaciones de leptones cargados como ocurre con los quarks . Esto está muy de acuerdo con las observaciones experimentales actuales. ^[32]

Sin embargo, se sabe a partir de experimentos, sobre todo de las oscilaciones de neutrinos observadas ^[33] , que los neutrinos tienen de hecho una masa muy pequeña, probablemente menos de2  eV / c 2 . ^[34] Esto implica la existencia de física más allá del Modelo Estándar . La extensión actualmente más favorecida es el llamado mecanismo de balancín , que explicaría tanto por qué los neutrinos zurdos son tan ligeros en comparación con los leptones cargados correspondientes, como por qué todavía no hemos visto ningún neutrino diestro.

Números cuánticos de sabor a leptones

Artículo principal: número de Lepton

A los miembros del doblete isospin débil de cada generación se les asignan números leptónicos que se conservan en el modelo estándar. ^[35] Los electrones y los neutrinos electrónicos tienen un número electrónico de L _e  = 1, mientras que los muones y neutrinos muónicos tienen un número muónico de L _μ  = 1, mientras que las partículas tau y los neutrinos tau tienen un número tauónico de L _τ  = 1. Los antileptones tienen los números leptónicos de sus respectivas generaciones de -1.

La conservación de los números leptónicos significa que el número de leptones del mismo tipo sigue siendo el mismo cuando las partículas interactúan. Esto implica que los leptones y antileptones deben crearse en pares de una sola generación. Por ejemplo, los siguientes procesos están permitidos bajo conservación de números leptónicos:

Cada generación forma un doblete isospin débil .

mi- + mi+ → γ + γ,

τ- + τ+ → Z0 + Z0,

pero no estos:

γ → mi- + μ+,

W- → mi- + ντ,

Z0 → μ- + τ+.

Sin embargo, se sabe que las oscilaciones de neutrinos violan la conservación de los números leptónicos individuales. Tal violación se considera una prueba contundente de la física más allá del Modelo Estándar . Una ley de conservación mucho más fuerte es la conservación del número total de leptones ( L ), conservado incluso en el caso de oscilaciones de neutrinos, pero incluso todavía es violado por una pequeña cantidad por la anomalía quiral .

Universalidad

El acoplamiento de los leptones a todos los tipos de bosones gauge son independientes del sabor: la interacción entre los leptones y un bosón gauge mide lo mismo para cada leptón. ^[35] Esta propiedad se llama universalidad leptónica y ha sido probada en mediciones de la vida útil de tau y muones y de anchos de desintegración parcial del bosón Z , particularmente en los experimentos Stanford Linear Collider (SLC) y Large Electron-Positron Collider (LEP). ^{[36] ( págs . 241–243 ) [37] ( pág . 138 )}

La tasa de desintegración ( ) de los muones a través del proceso.${\displaystyle \Gamma }$μ- → mi- + νmi + νμviene dado aproximadamente por una expresión de la forma (ver desintegración de muones para más detalles) ^[35]

${\displaystyle \Gamma \left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)\approx K_{1}G_{\text{F}}^{2}m_{\mu }^{5},}$

donde K ₁ es una constante y G _F es la constante de acoplamiento de Fermi . La tasa de descomposición de las partículas de tau a través del proceso.τ- → mi- + νmi + ντviene dado por una expresión de la misma forma ^[35]

${\displaystyle \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)\approx K_{2}G_{\text{F}}^{2}m_{\tau }^{5},}$

donde K ₂ es una constante. La universalidad muon-tauon implica que K ₁  ≈  K ₂ . Por otro lado, la universalidad electrón-muón implica ^[35]

${\displaystyle \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)=\Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow \mu ^{-}+{\bar {\nu _{\mu }}}+\nu _{\tau }\right).}$

Esto explica por qué las relaciones de ramificación para el modo electrónico (17,82%) y el modo muónico (17,39%) de desintegración de tau son iguales (dentro del error). ^[21]

La universalidad también explica la proporción de vidas de muones y tau. La vida útil de un leptón (con = "τ" o "μ") está relacionada con la tasa de desintegración en ^[35]${\displaystyle \mathrm {T} _{\ell }}$${\displaystyle \ell }$${\displaystyle \ell }$

${\displaystyle \mathrm {T} _{\ell }={\frac {B\left(\ell ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\ell }\right)}{\Gamma \left(\ell ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\ell }\right)}}\,}$,

donde B ( x  →  y ) y Γ ( x  →  y ) denota las relaciones de ramificación y el ancho de resonancia del proceso x  →  y .

La relación entre la vida útil de tau y muon viene dada por ^[35]

${\displaystyle {\frac {\mathrm {T} _{\tau }}{\mathrm {T} _{\mu }}}={\frac {B\left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)}{B\left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)}}\left({\frac {m_{\mu }}{m_{\tau }}}\right)^{5}\,}$.

Utilizando los valores de la Revisión de Física de Partículas de 2008 para las proporciones de ramificación de muones ^[19] y tau ^{[21] se} obtiene una proporción de vida útil de ~1,29 × 10 ⁻⁷ , comparable a la relación de vida útil medida de ~1,32 × 10 ⁻⁷ . La diferencia se debe a que K ₁ y K _{2 en} realidad no son constantes: dependen de la masa de leptones.

Las pruebas recientes de la universalidad de los leptones en las desintegraciones del mesón B , realizadas por los experimentos LHCb , BaBar y Belle , han mostrado desviaciones consistentes de las predicciones del Modelo Estándar. Sin embargo, la significación estadística y sistemática combinada aún no es lo suficientemente alta como para reclamar una observación de la nueva física, aunque las probabilidades se acercan a los tres órdenes de magnitud de alcanzar esa significación. ^[38]

Tabla de leptones

Propiedades de los leptones

Girar J	Nombre de la partícula / antipartícula	Símbolo	Carga Q ( e )	L e	L μ	L τ	Masa ( MeV / c 2 )	Vida útil ( segundos )
1 / 2	Electrón [18]	mi-	−1	+1	0	0	0,510998910  (± 13)	Estable
	Positrón [18]	mi+	+1	−1
	Muon [19]	μ-	−1	0	+1	0	105,6583668  (± 38)	2,197019 × 10 −6 (± 21)
	Antimuon [19]	μ+	+1		−1
	Tau [21]	τ-	−1	0	0	+1	1776,84 (± 0,17  )	2,906 × 10 −13 (± 0,010)
	Antitau [21]	τ+	+1			−1
	Neutrino electrónico [34]	νmi	0	+1	0	0	<0,0000022 [39]	Desconocido
	Antineutrino de electrones	νmi		−1
	Neutrino muón [34]	νμ	0	0	+1	0	<0,17 [39]	Desconocido
	Antineutrino muónico [34]	νμ			−1
	Neutrino Tau [34]	ντ	0	0	0	+1	<15,5 [39]	Desconocido
	Tau antineutrino [34]	ντ				−1

Ver también

• Fórmula de Koide
• Lista de partículas
• Preons : partículas hipotéticas que alguna vez se postularon como subcomponentes de quarks y leptones.

Notas

1. La carga de una partícula se expresa convencionalmente en unidades de la carga elemental , e .

Referencias

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Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con los leptones .

Busque lepton en Wiktionary, el diccionario gratuito.

• "Página de inicio de Particle Data Group" . - El PDG recopila información autorizada sobre las propiedades de las partículas.
• "Leptones" . Física y Astronomía. Universidad Estatal de Georgia. Hiperfísica . - un resumen de leptones.