Na física de partículas , um lépton é uma partícula elementar de spin semi-inteiro ( spin 1 ⁄ 2 ) que não sofre interações fortes . [1] Existem duas classes principais de léptons: léptons carregados (também conhecidos como léptons semelhantes a elétrons ou múons) e léptons neutros (mais conhecidos como neutrinos ). Leptons 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.
| Categorias de férmions | Geração de partículas elementares | |||
|---|---|---|---|---|
| Tipo | Subtipo | Primeiro | Segundo | Terceiro |
| Quarks ( coloridos ) | tipo baixo | abaixo | estranho | fundo |
| up-type | acima | charme | principal | |
| Leptons (sem cor) | carregada | elétron | múon | tauon |
| neutro | neutrino do elétron | neutrino múon | neutrino tau | |
Existem seis tipos de léptons, conhecidos como sabores , agrupados em três gerações . [2] 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 múon (
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 através 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 o lépton carregado mais comum no universo , enquanto os múons e taus só podem ser produzidos em colisões de alta energia (como as envolvendo raios cósmicos e as realizadas em aceleradores de partículas ).
 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 | ℓ |
| antipartícula | Antilépton ( ℓ ) |
| tipos | 6 ( elétron , neutrino do elétron , múon , neutrino do múon , tau , tau neutrino ) |
| Carga elétrica | +1 e , 0 e , −1 e |
| carga de cor | Não |
| Rodar | 1 ⁄ 2 |
| número bariônico | 0 |
Leptons 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 : a gravitação , a interação fraca e o eletromagnetismo , do qual o último é proporcional à carga e, portanto, é zero para o neutrinos eletricamente neutros.
Para cada sabor de lépton, existe um tipo correspondente de antipartícula , conhecido como antilépton, que difere do lépton apenas porque algumas de suas propriedades têm magnitude igual, mas sinal oposto . Segundo certas teorias, os neutrinos podem ser sua própria antipartícula . Atualmente não se sabe se este é o caso.
O primeiro lépton carregado, o elétron, foi teorizado em meados do século 19 por vários cientistas [3] [4] [5] e foi descoberto em 1897 por JJ Thomson . [6] O próximo lépton a ser observado foi o múon , descoberto por Carl D. Anderson em 1936, que foi classificado como um méson na época. [7] Após investigação, percebeu-se que o múon não tinha as propriedades esperadas de um méson, mas se comportava como um elétron, apenas com massa maior. Demorou até 1947 para que o conceito de "leptons" como uma família de partículas fosse proposto. [8] O primeiro neutrino, o neutrino do elétron, foi proposto porWolfgang Pauli em 1930 para explicar certas características do decaimento beta . [8] Foi observado pela primeira vez no experimento de neutrino Cowan-Reines conduzido por Clyde Cowan e Frederick Reines em 1956. [8] [9] O neutrino múon foi descoberto em 1962 por Leon M. Lederman , Melvin Schwartz e Jack Steinberger , [10] e o tau descoberto entre 1974 e 1977 por Martin Lewis Perl e seus colegas do Stanford Linear Accelerator Center e Lawrence Berkeley National Laboratory .[11] O neutrino tau permaneceu indescritível até julho de 2000, quando acolaboração DONUT do Fermilab anunciou sua descoberta. [12] [13]
Leptons são uma parte importante do Modelo Padrão . Os elétrons são um dos componentes dos átomos , ao lado de prótons e nêutrons . Átomos exóticos com múons e taus em vez de elétrons também podem ser sintetizados, bem como partículas lépton-antilépton, como o positrônio .
Etimologia
O nome lepton vem do grego λεπτός leptós , "fino, pequeno, fino" ( forma nominativa/acusativa singular neutra : λεπτόν leptón ); [14] [15] a forma mais antiga atestada da palavra é o grego micênico 𐀩𐀡𐀵 , re-po-to , escrito na escrita silábica Linear B. [16] Lepton foi usado pela primeira vez pelo físico Léon Rosenfeld em 1948: [17]
Rosenfeld escolheu o nome porque os únicos léptons conhecidos na época eram elétrons e múons, cujas massas são pequenas comparadas aos núcleons - a massa de um elétron (0,511 MeV/ c 2 ) [18] e a massa de um múon (com valor de105,7 MeV/ c 2 ) [19] são frações da massa do próton "pesado" (938,3 MeV/ c 2 ). [20] No entanto, a massa do tau (descoberta em meados da década de 1970) (1777 MeV/ c 2 ) [21] é quase o dobro do próton e cerca de 3.500 vezes o do elétron.
História
| Nome da partícula | Nome da antipartícula |
|---|---|
| Elétron | antielétron pósitron |
| neutrino do elétron | Elétron antineutrino |
| Muon Mu lépton Mu | Antimuon Antimu lépton Antimu |
| Neutrino Muon Neutrino Muonic Neutrino Mu | Muon antineutrino Muonic antineutrino Mu antineutrino |
| Tauon Tau lépton Tau | Antitauon Antitau lépton Antitau |
| neutrino tauon neutrino tauônico neutrino tau | Tauon antineutrino Tauonic antineutrino Tau antineutrino |
O primeiro lépton identificado foi o elétron, descoberto por JJ Thomson e sua equipe de físicos britânicos em 1897. [22] [23] 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 . [24] Pauli teorizou que uma partícula não detectada estava carregando a diferença entre a energia , o momento e o momento angulardas partículas iniciais e finais observadas. O neutrino do elétron era simplesmente chamado de neutrino, pois ainda não se sabia que os neutrinos vinham em diferentes sabores (ou diferentes "gerações").
Quase 40 anos após a descoberta do elétron, o múon foi descoberto por Carl D. Anderson em 1936. Devido à sua massa, foi inicialmente classificado como um méson em vez de um lépton. [25] Mais tarde ficou claro que o múon era muito mais semelhante ao elétron do que aos mésons, já que os múons não sofrem interação forte , e assim o múon foi reclassificado: elétrons, múons e o (elétron) neutrino foram agrupados em um novo grupo de partículas - os léptons. Em 1962, Leon M. Lederman , Melvin Schwartz e Jack Steinberger mostraram que existe mais de um tipo de neutrino detectando primeiro as interações do múon .neutrino, que lhes rendeu o Prêmio Nobel de 1988 , embora até então os diferentes sabores do neutrino já tivessem sido teorizados. [26]
A tau foi detectada pela primeira vez em uma série de experimentos entre 1974 e 1977 por Martin Lewis Perl com seus colegas do grupo SLAC LBL . [27] Como o elétron e o múon, esperava-se que ele também tivesse um neutrino associado. A primeira evidência de neutrinos tau veio da observação de energia "ausente" e momento no decaimento tau, análogo à energia "ausente" e momento no decaimento beta levando à descoberta do neutrino do elétron. A primeira detecção de interações de neutrinos tau foi anunciada em 2000 pela colaboração DONUT no Fermilab , tornando-a a penúltima partícula do Modelo Padrãoter sido observado diretamente, [28] com o bóson de Higgs sendo descoberto em 2012.
Embora todos os dados presentes sejam consistentes com três gerações de léptons, alguns físicos de partículas estão procurando por uma quarta geração. O limite inferior atual da massa desse quarto lépton carregado é100,8 GeV/ c 2 , [29] enquanto seu neutrino associado teria uma massa de pelo menos45,0 GeV/ c 2 . [30]
Propriedades
Spin e quiralidade
Leptons são spin 12partículas. 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 lépton pode ter apenas dois estados de spin possíveis, ou seja, 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 spin na mesma direção de seu momento são chamadas de destras e, caso contrário, são chamadas 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, enquanto para partículas massivas é possível 'ultrapassar' a partícula escolhendo um referencial de movimento mais rápido; no quadro mais rápido, a helicidade é invertida. A quiralidade é uma propriedade técnica, definida pelo comportamento de transformação sob o grupo de 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 quânticas de campos , como a eletrodinâmica quântica e a cromodinâmica quântica , os férmions destros e canhotos são idênticos. No entanto, a interação fraca do Modelo Padrão trata férmions canhotos e destros de maneira diferente: apenas férmions canhotos (e antiférmions destros) participam da interação fraca. Este é um exemplo de violação de paridade explicitamente escrito no modelo. Na literatura, os campos canhotos são geralmente denotados por um índice L maiúsculo (por exemplo, o elétron normal: e L − ) e os campos à direita são denotados por um índice R maiúsculo (por exemplo, um pósitroneR + ) .
Neutrinos destros e antineutrinos de 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 carregadas eletricamente (elétron, múon ou tau) não se envolvam especificamente na interação fraca, elas ainda podem interagir eletricamente e, portanto, ainda participar da força eletrofraca combinada , embora com diferentes intensidades ( Y W ).
Interação eletromagnética
Uma das propriedades mais proeminentes dos léptons é sua carga elétrica , Q. A carga elétrica determina a força de suas interações eletromagnéticas . Ela determina a força do campo elétrico gerado pela partícula (veja a lei de Coulomb ) e quão fortemente a partícula reage a um campo elétrico ou magnético externo (veja a força de Lorentz ). Cada geração contém um lépton com[a] e um lépton com carga elétrica zero. O lépton com carga elétrica é comumente referido simplesmente como um lépton carregado , enquanto um lépton neutro é chamado de neutrino . Por exemplo, a primeira geração consiste no elétron
e−
com uma carga elétrica negativa e o neutrino do elétron eletricamente neutro
ν
e .
Na linguagem da teoria quântica de campos, a interação eletromagnética dos léptons carregados é expressa pelo fato de as partículas interagirem 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 de seu momento de dipolo magnético μ é dado por
onde m é a massa do lépton eg é o chamado " fator g " para o lépton. A aproximação da mecânica quântica de primeira ordem prevê que o fator g é 2 para todos os léptons. No entanto, efeitos quânticos de ordem superior causados por loops em diagramas de Feynman introduzem correções nesse valor. Essas correções, conhecidas como momento de dipolo magnético anômalo , são muito sensíveis aos detalhes de um modelo de teoria quântica de campos 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 dentro de oito algarismos significativos. [31]Os resultados para o múon , no entanto, são problemáticos , sugerindo uma pequena e persistente discrepância entre o Modelo Padrão e o experimento.
Fraca interação
| ||||||
No Modelo Padrão, o lépton carregado canhoto e o neutrino canhoto são arranjados em dupleto ( ν e l , e −
l) que se transforma na representação do spinor ( T = 1 ⁄ 2 ) da isospin fraca SU(2) gauge simetria. Isso significa que essas partículas são autoestados da projeção isospin T 3 com autovalores + 1 ⁄ 2 e -1 ⁄ 2 respectivamente. Nesse ínterim, o lépton carregado destro se transforma em um escalar de isospin fraco ( T = 0) e, portanto, não participa da interação fraca , embora não haja nenhuma evidência de que um neutrino destro exista.
O mecanismo de Higgs recombina os campos de calibre da isospin fraca SU(2) e da hipercarga fraca U(1) simetrias para três bósons vetoriais massivos (
C+
,
C−
,
Z0
) mediando a interação fraca , e um bóson vetor 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 + 1 ⁄ 2 Y W
Para recuperar as cargas elétricas observadas para todas as partículas, o dupleto isospin fraco canhoto ( ν e l , e −
l) deve, portanto, ter Y W = −1, enquanto o escalar isospin destro e−
rdeve ter Y W = −2. A interação dos léptons com os bósons do vetor de interação fraca massiva é mostrada na figura à direita.
Massa
No Modelo Padrão , cada lépton começa sem massa intrínseca. Os léptons carregados (ou seja, o elétron, múon e tau) obtêm uma massa efetiva através 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. [32]
No entanto, sabe-se de experimentos indiretos - principalmente de oscilações de neutrinos observadas [33] - que os neutrinos devem ter uma massa diferente de zero, provavelmente menor que2 eV/ c 2 . [34] Isso implica a existência da física além do Modelo Padrão . A extensão atualmente mais favorecida é o chamado mecanismo de gangorra , que explicaria tanto por que os neutrinos canhotos são tão leves em comparação com os léptons carregados correspondentes, quanto por que ainda não vimos neutrinos destros.
Números quânticos de sabor Lepton
Os membros do dupleto isospin fraco de cada geração recebem números leptônicos que são conservados no Modelo Padrão. [35] 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 partículas tau e neutrinos tau têm um número tauônico de L τ = 1 . Os antiléptons têm números leptônicos de suas respectivas gerações de -1 .
A conservação dos números leptônicos significa que o número de léptons do mesmo tipo permanece o mesmo quando as partículas interagem. Isso implica que léptons e antiléptons devem ser criados em pares de uma única geração. Por exemplo, os seguintes processos são permitidos sob conservação de números leptônicos:
mas nenhum destes:
No entanto, sabe-se que as oscilações de neutrinos violam a conservação dos números leptônicos individuais. Tal violação é considerada uma prova definitiva para a física além do Modelo Padrão . Uma lei de conservação muito mais forte é a conservação do número total de léptons ( L sem subscrito ), conservado mesmo no caso de oscilações de neutrinos, mas mesmo assim ainda é violado por uma pequena quantidade pela anomalia quiral .
Universalidade
O acoplamento de léptons a todos os tipos de bóson de calibre é independente do sabor: a interação entre léptons e um bóson de calibre mede o mesmo para cada lépton. [35] Essa propriedade é chamada de universalidade leptônica e foi testada em medições dos tempos de vida de múons e tau e de
Z
larguras de decaimento parcial do bóson , particularmente nos experimentos Stanford Linear Collider (SLC) e Large Electron-Positron Collider (LEP). [36] : 241–243 [37] : 138
A taxa de decaimento () de múons através do processo
μ−
→
e−
+
ν
e+
ν
μ é aproximadamente dado por uma expressão da forma (veja decaimento do múon para mais detalhes) [35]
onde K 2 é alguma constante, e GF é a constante de acoplamento de Fermi . A taxa de decaimento das partículas de tau através do processo
τ−
→
e−
+
ν
e+
ν
τ é dada por uma expressão da mesma forma [35]
onde K 3 é alguma outra constante. A universalidade muon-tauon implica que K 2 ≈ K 3 . Por outro lado, a universalidade elétron-múon implica [35]
Isso explica por que as taxas de ramificação para o modo eletrônico (17,82%) e o modo muônico (17,39%) do decaimento tau são iguais (dentro do erro). [21]
A universalidade também é responsável pela proporção dos tempos de vida de múon e tau. a vidade um lépton(com= " μ " ou " τ ") está relacionado com a taxa de decaimento por [35]
- ,
ondedenota as razões de ramificação edenota a largura de ressonância do processocom x e y substituídos por duas partículas diferentes de " e " ou " μ " ou " τ ".
A razão entre o tempo de vida de tau e múon é dada por [35]
Usando valores da Revisão de Física de Partículas de 2008 para as taxas de ramificação do múon [19] e tau [21] produz uma taxa de tempo de vida de ~1,29 × 10 −7 , comparável à taxa 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 dos léptons envolvidos.
Testes recentes de universalidade leptônica em
B
os decaimentos do méson , 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 . [38]
Em julho de 2021, os resultados sobre a universalidade do lépton foram publicados testando decaimentos de W, medições anteriores do LEP forneceram um leve desequilíbrio, mas a nova medição da colaboração do ATLAS tem o dobro da precisão e fornece uma proporção deque concorda com a previsão do modelo padrão de unidade [39] [40] [41]
Tabela de léptons
Propriedades dos léptons Gire
JNome da partícula ou
antipartículaSímbolo Carga
Q ( e ) [a]Número do sabor Lepton Massa
( MeV / c 2 )Tempo de vida
( segundos )L e L μ L τ 1 2 Elétron [18]
e−−1 +1 0 0 0,510998910
(±13)Estábulo Pósitron [18]
e++1 −1 Múon [19]
μ−−1 0 +1 0 105,6583668
(±38)2,197019×10 −6
(±21)Antimuão [19]
μ++1 −1 Tau [21]
τ−−1 0 0 +1 1776,84
(±,17)2,906 × 10 −13
(± 0,010)Antitau [21]
τ++1 −1 Neutrino do elétron [34]
ν
e0 +1 0 0 <0,0000022 [42] Desconhecido Elétron antineutrino
ν
e−1 neutrino Muon [34]
ν
μ0 0 +1 0 < 0,17 [42] Desconhecido Múon antineutrino [34]
ν
μ−1 Neutrino Tau [34]
ν
τ0 0 0 +1 < 15,5 [42] Desconhecido Tau antineutrino [34]
ν
τ−1
Wikipédia, informa
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