Leptón

En física de partículas, un leptón es una partícula elemental de espín medio entero (espín 1 ⁄ 2) que no sufre interacciones fuertes. Existen dos clases principales de leptones: leptones cargados (también conocidos como leptones similares a electrones o muones) 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. Los leptones de primera generación, también llamados leptones electrónicos, comprenden el electrón (mi) y el neutrino electrónico (v_mi); el segundo son los leptones muónicos, que comprenden el muón (m) y el neutrino muón (v_m); y el tercero son los leptones tauónicos, que comprenden el tau (τ) y el neutrino tau (v_τ). Los electrones tienen la menor masa de todos los leptones cargados. Los muones y taus más pesados ​​se transformarán rápidamente en electrones y neutrinos a través de un proceso de descomposición de partículas: la transformación de un estado de mayor masa a un estado de menor masa. Por lo tanto, los electrones son estables y el leptón cargado más común en el universo, mientras que los muones y taus solo se pueden producir en colisiones de alta energía (como las que involucran rayos cósmicos y las que se llevan a cabo en los aceleradores de partículas).

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

Para cada sabor de leptón, hay un tipo correspondiente de antipartícula, conocida como antileptón, que difiere 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 y fue descubierto en 1897 por JJ Thomson. El siguiente leptón que se observó fue el muón, descubierto por Carl D. Anderson en 1936, que en ese momento se clasificó como mesón. Después de la investigación, se dio cuenta de que el muón no tenía las propiedades esperadas de un mesón, sino que se comportaba como un electrón, solo que con mayor masa. Hubo que esperar hasta 1947 para que se propusiera el concepto de "leptones" como familia de partículas. El primer neutrino, el neutrino electrónico, fue propuesto por Wolfgang Pauli en 1930 para explicar ciertas características de la desintegración beta. Se observó por primera vez en el experimento de neutrinos Cowan-Reines realizado por Clyde Cowan y Frederick Reines en 1956.El neutrino muón fue descubierto en 1962 por Leon M. Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger, y el tau descubierto entre 1974 y 1977 por Martin Lewis Perl y sus colegas del Centro Acelerador Lineal de Stanford y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. El neutrino tau permaneció escurridizo hasta julio de 2000, cuando la colaboración DONUT de Fermilab anunció su descubrimiento.

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

Etimología

El nombre lepton proviene del griego λεπτός leptós, "fino, pequeño, delgado" (forma singular neutra nominativa/acusativa: λεπτόν leptón); la forma más antigua atestiguada de la palabra es el griego micénico ???, re-po-to, escrito en escritura silábica lineal B. Lepton fue utilizado por primera vez por el físico Léon Rosenfeld en 1948:

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

Rosenfeld eligió el nombre porque los únicos leptones conocidos en ese momento eran electrones y muones, cuyas masas son pequeñas en comparación con los nucleones: la masa de un electrón (0,511 MeV/ c) y la masa de un muón (con un valor de105,7 MeV/ c) son fracciones de la masa del protón "pesado" (938,3 MeV/ c). Sin embargo, la masa del tau (descubierta a mediados de la década de 1970) (1777 MeV/ c) es casi el doble que el protón y unas 3500 veces la del electrón.

Historia

El primer leptón identificado fue el electrón, descubierto por JJ Thomson y su equipo de físicos británicos en 1897. Luego, en 1930, Wolfgang Pauli postuló el neutrino electrónico para preservar la conservación de la energía, la conservación del momento y la conservación del momento angular en la desintegración beta. 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 neutrino electrónico simplemente se llamaba 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. 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, se reclasificó el muón: los electrones, los muones y el neutrino (electrónico) 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 neutrino muón, lo que les valió el Premio Nobel de 1988, aunque para entonces ya se habían identificado los diferentes sabores de neutrino. sido teorizado.

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. 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 "faltantes" en la desintegración de tau, análoga a la energía y el momento "faltantes" en la desintegración beta que condujo 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 penúltima partícula del modelo estándar que se ha observado directamente, y el bosón de Higgs se descubrió 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 tal cuarto leptón cargado es100,8 GeV/ c, mientras que su neutrino asociado tendría una masa de al menos45,0 GeV/ c.

Propiedades

Spin y quiralidad

Los leptones son spin 1/2partículas El teorema de la estadística de espín implica, por lo tanto, que son fermiones y, por lo tanto, que 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 espín, arriba o abajo.

Una propiedad estrechamente relacionada es la quiralidad, que a su vez está estrechamente relacionada con una propiedad más fácil de visualizar llamada helicidad. La helicidad de una partícula es la dirección de su giro en relación con su momento; Las partículas con espín en la misma dirección que su cantidad de movimiento se llaman dextrógiras y, de lo contrario, se denominan dextrógiras.. 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 partículas masivas es posible 'superar' a la partícula eligiendo un marco de referencia de movimiento 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 diseñado para estar de acuerdo 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 levógiros y levógiros 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 antifermiones diestros) participan en la interacción débil. Este es un ejemplo de violación de paridad escrita explícitamente en el modelo. En la literatura, los campos zurdos a menudo se denotan con un subíndice L mayúscula (p. ej., el electrón normal: e _L) y los campos zurdos se denotan con un subíndice R mayúscula (p. ej., un positrón e _R).

Los neutrinos dextrógiros y los antineutrinos dextrógiros 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 dextrógiras cargadas eléctricamente (electrones, muones o tau) no se involucran específicamente en la interacción débil, aún pueden interactuar eléctricamente y, por lo tanto, aún participar en la fuerza electrodébil combinada, aunque con diferentes fuerzas (_YW ).

Interacción electromagnética

Una de las propiedades más destacadas de los leptones es su carga eléctrica, Q. La carga eléctrica determina la fuerza de sus interacciones electromagnéticas. Determina la intensidad 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 y un leptón con carga eléctrica cero. El leptón con carga eléctrica se denomina comúnmente leptón cargado, mientras que un leptón neutro se denomina neutrino. Por ejemplo, la primera generación consiste en el electrónmi con carga eléctrica negativa y el neutrino electrónico eléctricamente neutrov_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 forma de giro, los leptones cargados generan un campo magnético. El tamaño de su momento dipolar magnético μ está dado por

donde m es la masa del leptón y g 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, denominadas 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 de los electrones concuerdan dentro de ocho cifras significativas. Los resultados para elmuon, sin embargo, son problemáticos, lo que sugiere una pequeña y persistente discrepancia entre el modelo estándar y el experimento.

Interacción débil

Las interacciones débiles de los leptones de primera generación.

En el modelo estándar, el leptón zurdo cargado y el neutrino zurdo están dispuestos en doblete (ν _{e l}, e _l) que se transforma en la representación del espinor ( T = 1 ⁄ 2) de la simetría de calibre SU(2) del isospín débil. Esto significa que estas partículas son estados propios de la proyección de isospín T ₃ con valores propios ++1 ⁄ 2 y −+1 ⁄ 2 respectivamente. Mientras tanto, el leptón dextrógiro cargado 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 dextrógiro.

El mecanismo de Higgs recombina los campos de norma de las simetrías de isospín débil SU(2) y de hipercarga débil U(1) en tres bosones vectoriales masivos (W,W,Z) que media la interacción débil, y un bosón vectorial 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 a través de 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 de isospín débil zurdo (ν _{e l}, e _l) por lo tanto debe tener Y _W = −1, mientras que el isospín escalar diestro e_rdebe tener Y _W = −2. La interacción de los leptones con los bosones vectoriales de interacción débil masiva se muestra en la figura de la derecha.

Masa

En el modelo estándar, cada leptón comienza sin masa intrínseca. Los leptones cargados (es decir, el electrón, el muón y el 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. La masa cero del neutrino está en estrecho acuerdo con las actuales observaciones experimentales directas de la masa.

Sin embargo, se sabe a partir de experimentos indirectos, sobre todo a partir de las oscilaciones de neutrinos observadas, que los neutrinos deben tener una masa distinta de cero, probablemente menor que2 eV/ c. Esto implica la existencia de física más allá del Modelo Estándar. La extensión actualmente más favorecida es el llamado mecanismo de balancín, lo que explicaría por qué los neutrinos zurdos son tan ligeros en comparación con los leptones cargados correspondientes y por qué todavía no hemos visto ningún neutrino dextrógiro.

Números cuánticos de sabor a leptones

A los miembros del doblete de isospín débil de cada generación se les asignan números leptónicos que se conservan bajo el Modelo Estándar. Los electrones y los neutrinos electrónicos tienen un número electrónico de L _e = 1, mientras que los muones y los 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 su respectiva generación de −1.

La conservación de los números leptónicos significa que el número de leptones del mismo tipo permanece igual cuando las partículas interactúan. Esto implica que los leptones y antileptones deben crearse en parejas de una sola generación. Por ejemplo, los siguientes procesos están permitidos bajo la conservación de los números leptónicos:mi+mi→γ,τ+τ→Z,

pero no estos:γ→mi+m,W→mi+v_τ,Z→m+τ.

Sin embargo, se sabe que las oscilaciones de neutrinos violan la conservación de los números leptónicos individuales. Tal violación se considera una evidencia irrefutable para la física más allá del modelo estándar. Una ley de conservación mucho más fuerte es la conservación del número total de leptones (L sin subíndice ), que se conserva incluso en el caso de las oscilaciones de neutrinos, pero aun así la anomalía quiral la viola en una pequeña cantidad.

Universalidad

El acoplamiento de los leptones a todos los tipos de bosones de calibre es independiente del sabor: la interacción entre los leptones y un bosón de calibre mide lo mismo para cada leptón. Esta propiedad se llama universalidad de los leptones y se ha probado en mediciones de los tiempos de vida de muones y tau y deZ anchos de decaimiento parcial de los bosones, particularmente en los experimentos del Colisionador Lineal de Stanford (SLC) y del Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP).

La tasa de decaimiento () de los muones a través del proceso m→mi+v_mi+v_m está dada aproximadamente por una expresión de la forma (ver decaimiento de muones para más detalles)

donde K ₂ es una constante y G _F es la constante de acoplamiento de Fermi. La tasa de descomposición de las partículas tau a través del proceso. τ→mi+v_mi+v_τ viene dada por una expresión de la misma forma

donde K ₃ es alguna otra constante. La universalidad muon-tauon implica que K ₂ ≈ K ₃. Por otro lado, la universalidad electrón-muón implica

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

La universalidad también explica la proporción de vidas de muones y tau. La vida útil de un leptón (con = " μ " o " τ ") está relacionada con la tasa de descomposición por,

donde denota las relaciones de ramificación y denota el ancho de resonancia del proceso con xey reemplazadas por dos partículas diferentes de " e " o " μ " o " τ ".

La relación entre la vida útil de tau y muón viene dada por

El uso de valores de la Revisión de física de partículas de 2008 para las proporciones de ramificación del muón y tau produce una proporción de vida útil de ~1,29 × 10, comparable a la relación de vida útil medida de ~1,32 × 10. La diferencia se debe a que K ₂ y K _{3 en} realidad no son constantes: dependen ligeramente de la masa de leptones involucrados.

Pruebas recientes de universalidad de leptones enB Las desintegraciones de mesones, realizadas por los experimentos LHCb, BaBar y Belle, han mostrado desviaciones consistentes de las predicciones del modelo estándar. Sin embargo, la significancia estadística y sistemática combinada aún no es lo suficientemente alta como para reclamar una observación de nueva física.

En julio de 2021, se publicaron los resultados sobre la universalidad de los leptones que prueban las desintegraciones de W, las mediciones anteriores del LEP habían dado un ligero desequilibrio, pero la nueva medición de la colaboración ATLAS tiene el doble de precisión y proporciona una proporción que concuerda con la predicción del modelo estándar de unidad

Tabla de leptones