Лептоны — элементарные частицы Стандартной модели¶

Лептоны (от др.-греч. λεπτός — «тонкий, мелкий») — один из двух классов элементарных частиц Стандартной модели физики элементарных частиц, наряду с кварками. К лептонам относятся электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие им нейтрино, а также их античастицы. Все лептоны являются фермионами со спином 1/2 и участвуют во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях, кроме сильного. Ключевое отличие лептонов от кварков — отсутствие цветного заряда, из-за чего они не образуют адроны и не подвергаются сильному взаимодействию.

¶Классификация

Лептоны образуют три поколения (семейства), каждое из которых включает заряженную частицу и соответствующее ей нейтрино:

Заряженные лептоны несут отрицательный электрический заряд −1 (в единицах элементарного заряда); античастицы несут заряд +1. Нейтрино электрически нейтральны. Массы лептонов возрастают от поколения к поколению: электрон примерно в 206 раз легче мюона, а мюон — примерно в 17 раз легче тау-лептона. Нейтрино, согласно данным нейтринных экспериментов, обладают очень малой, но ненулевой массой, порядка долей электронвольта; точные значения масс неизвестны.

¶Основные свойства

Лептоны — фермионы, то есть подчиняются статистике Дирака и принципу Паули. Их антиматериевые партнёры — антилептоны — отличаются знаком всех аддитивных квантовых чисел, включая электрический заряд и лептонное число.

Лептонное число L — важнейшее квантовое число, введённое для объяснения наблюдаемых селекционных правил. Оно определяется как разность числа лептонов и антилептонов. Лептонное число сохраняется во всех известных процессах Стандартной модели, однако в распадах нейтрино возможны его нарушения, связанные с осцилляциями нейтрино (см. ниже).

¶Участие во взаимодействиях

Лептоны участвуют в электромагнитном взаимодействии (только заряженные), слабом и гравитационном. Нейтрино взаимодействуют только слабым и гравитационным образом, что делает их крайне трудными для регистрации: сечение взаимодействия нейтрино с веществом настаивательно мало.

Слабое взаимодействие лептонов описывается W±- и Z⁰-бозонами. Примеры процессов: распад мюона μ⁻ → e⁻ + ν̄ₑ + νμ с временем жизни около 2,2×10⁻⁶ с, распад тау-лептона (время жизни около 2,9×10⁻¹³ с) и бета-распад нейтрона, в котором участвует электронное нейтрино.

¶Нейтрино и осцилляции

Открытие осцилляций нейтрино — одно из важнейших экспериментальных результатов физики конца XX — начала XXI века. Опыты Super-Kamiokande (Япония, 1998), SNO (Канада, 2001) и KamLAND (Япония, 2002) показали, что нейтрино меняют тип («аромат») при полёте, что возможно только при ненулевых массах. Это означает, что собственные состояния нейтрино (νₑ, νμ, ντ) не совпадают с состояниями с определённой массой, а представляют собой квантовые суперпозиции массовых состояний.

Открытие осцилляций нейтрино выходит за рамки минимальной версии Стандартной модели, где нейтрино считались безмассовыми. Для объяснения наблюдаемых массовых различий в теорию были введены правонаправленные нейтрино, гипотеза механизма seesaw и другие расширения.

¶Лептоны в астрофизике

Нейтрино играют ключевую роль в процессах, происходящих в звёздах и при сверхновых. Солнечные нейтрино, рождаемые в термоядерных реакциях протон-протонного цикла, впервые были зарегистрированы Рэем Дэвисом в эксперименте Homestake (с 1960-х годов). Нейтринный всплеск от сверхновой SN 1987A в Большом Магеллановом Облаке позволил впервые наблюдать процесс коллапса ядра звезды в реальном времени.

¶История открытия

Электрон был открыт Дж. Дж. Томсоном в 1897 году и стал первой открытой элементарной частицей. Мюон обнаружен Карлом Андерсоном и Сетом Недермейером в космических лучах в 1936 году; изначально его считали мезоном, но быстро выяснилось, что он не участвует в сильном взаимодействии. Электронное нейтрино было предсказано Вольфгангом Паули в 1930 году для объяснения непрерывного спектра электронов в бета-распаде и экспериментально подтверждено Фредериком Райнесом и Клайдом Коуэном в 1956 году. Тау-лептон открыл Мартин Перл со сотрудниками на коллайдере SPEAR (SLAC, США) в 1975 году. Мюонное нейтрино подтвердили Леон Ледерман, Мельвин Шварц и Джек Стейнбергер в 1962 году. За работы по нейтрино Райнес получил Нобелевскую премию по физике в 1995 году, Ледерман, Шварц и Стейнбергер — в 1988 году, Перл — в 1995 году (совместно с Райнесом), а за открытие осцилляций нейтрино Нобелевская премия была присуждена Такааки Кадзите и Артуру Макдональду в 2015 году.

¶Лептоны и кварки

Лептоны и кварки образуют полный набор фермионов Стандартной модели. Оба семейства обладают слабым изоспином и гиперзарядом, что позволяет описать их единым образом в рамках электрослабой теории. Однако кварки, в отличие от лептонов, несут цветной заряд и участвуют в сильном взаимодействии, образуя адроны (мезоны и барионы). Наблюдаемые процессы распада мюона и тау-лептона через промежуточные кварковые состояния демонстрируют связь между лептонным и адронным секторами.

Источники:

• Стандартная модель физики элементарных частиц: учебные пособия и обзорные статьи (Particle Data Group, Review of Particle Physics)
• История открытия элементарных частиц: работы по космическим лучам и ускорительной физике
• Эксперименты по осцилляциям нейтрино: Super-Kamiokande, SNO, KamLAND
• Фундаментальные взаимодействия и квантовые числа лептонов