V 19. in 20. stoletju so fiziki začeli raziskovati globoko naravo materije in energije. Pri tem so hitro spoznali, da pravila, ki jih urejajo, postajajo vse bolj zamegljena, globlje se gre. Medtem ko je nekoč prevladovala teorija, da je vsa snov sestavljena iz nedeljivih atomov, so se znanstveniki začeli zavedati, da so atomi sami sestavljeni iz še manjših delcev.
Iz teh preiskav je Standardni model fizike delcev se je rodil. Po tem modelu je vsa snov v vesolju sestavljena iz dveh vrst delcev: hadronov, iz katerih Veliki hadronski trkalnik (LHC) dobi svoje ime – in leptoni. Kjer so hadroni sestavljeni iz drugih elementarnih delcev (kvarkov, antikvarkov itd.), so leptoni osnovni delci, ki obstajajo sami.
Opredelitev:
Beseda lepton prihaja iz grščineleptos, kar pomeni 'majhen', 'fin' ali 'tanek'. Prvo zabeleženo uporabo besede je v svoji knjigi uporabil fizik Leon Rosenfeldjedrske sile(1948). V knjigi je uporabo besede pripisal predlogu danskega kemika in fizika prof. Christiana Mollerja.
Standardni model fizike delcev, ki prikazuje vse znane elementarne delce. Zasluge: Wikipedia Commons/MissMJ/PBS NOVA/Fermilab/Particle Data Group
Izraz je bil izbran tako, da se nanaša na delce majhne mase, saj so bili edini znani leptoni v Rosenfeldovem času mioni. Ti osnovni delci so več kot 200-krat masivnejši od elektronov, vendar imajo le približno eno devetino mase protona. Leptoni so poleg kvarkov osnovni gradniki snovi in jih zato obravnavamo kot »elementarne delce«.
Vrste leptonov:
Po standardnem modelu obstaja šest različnih vrst leptonov. Ti vključujejo delce elektrona, miona in tau ter z njimi povezane nevtrine (tj. elektronski nevtrino, mionski nevtrino in tau nevtrino). Leptoni imajo negativen naboj in izrazito maso, medtem ko imajo njihovi nevtrini nevtralen naboj.
Elektroni so najlažji, z maso 0,000511 gigaelektronvoltov (GeV), medtem ko imajo mioni maso 0,1066 Gev in delci Tau (najtežji) imajo maso 1,777 Gev. Različne vrste elementarnih delcev se običajno imenujejo 'okusi'. Čeprav je vsaka od treh arom leptona drugačna in drugačna (v smislu njihove interakcije z drugimi delci), nista nespremenljiva.
Nevtrino lahko spremeni svoj okus, proces, ki je znan kot 'nihanje okusa nevtrina'. To je lahko v več oblikah, ki vključujejo sončni nevtrino, atmosferski nevtrino, jedrski reaktor ali nihanja žarka. V vseh opazovanih primerih so nihanja potrdili, kot se je zdelo, primanjkljaj v številu nastalih nevtrinov.
Mioni, vrsta leptona, prikazana kot proizvaja Veliki hadronski trkalnik. Zasluge: CERN
Eden od opaženih vzrokov je povezan z 'muonskim razpadom' (glej spodaj), procesom, pri katerem mioni spremenijo svoj okus, da postanejo elektronski nevtrini ali tau nevtrini – odvisno od okoliščin. Poleg tega imajo vsi trije leptoni in njihovi nevtrini povezan antidelec (antilepton).
Za vsakega imajo antileptoni enako maso, vendar so vse druge lastnosti obrnjene. Te pare sestavljajo elektron/pozitron, mion/antimuon, tau/antitau, elektronski nevtrino/elektronski antinevtrino, mionski nevtrino/muan antinuetrino in tau nevtrino/tau antinevtrino.
Sedanji standardni model predvideva, da ne obstajajo več kot trije tipi (tudi 'generacije') leptonov s pripadajočimi nevtrini. To je v skladu z eksperimentalnimi dokazi, ki poskušajo modelirati proces nukleosinteze po velikem poku, kjer bi obstoj več kot treh leptonov vplival na številčnost helija v zgodnjem vesolju.
Lastnosti:
Vsi leptoni imajo negativen naboj. Imajo tudi notranjo rotacijo v obliki svojega spina, kar pomeni, da bodo elektroni z električnim nabojem – to je »nabiti leptoni« – ustvarili magnetna polja. Sposobni so komunicirati z drugo snovjo le s šibkimi elektromagnetnimi silami. Navsezadnje njihov naboj določa moč teh interakcij, pa tudi moč njihovega električnega polja in kako reagirajo na zunanja električna ali magnetna polja.
Vendar nihče ni sposoben interakcije s snovjo prek močnih sil. V standardnem modelu se vsak lepton začne brez notranje mase. Nabiti leptoni pridobijo učinkovito maso z interakcijo s Higgsovim poljem, medtem ko nevtrini ostanejo brez mase ali imajo le zelo majhne mase.
Zgodovina študija:
Prvi identificiran lepton je bil elektron, ki ga je odkril britanski fizik JJ Thomson in njegovi kolegi leta 1897 z uporabo serije eksperimentov s katodno cevjo. Naslednja odkritja so prišla v tridesetih letih prejšnjega stoletja, kar je vodilo k ustvarjanju nove klasifikacije za šibko interakcijske delce, ki so bili podobni elektronom.
Prvo odkritje je leta 1930 naredil avstrijsko-švicarski fizik Wolfgang Pauli, ki je predlagal obstoj elektronskega nevtrina, da bi rešil načine, kako je beta razpad v nasprotju z zakonom o ohranjanju energije, in Newtonovi zakoni gibanja (natančneje Ohranjanje gibanja in Ohranjanje kotnega gibanja).
Pozitron in mion je odkril Carl D. Anders leta 1932 oziroma 1936. Zaradi mase miona so ga sprva zamenjali za mezon. Toda zaradi svojega obnašanja (ki je bilo podobno elektronu) in dejstva, da ni bil podvržen močni interakciji, je bil mion preklasificiran. Skupaj z elektronom in elektronskim nevtrinom je postal del nove skupine delcev, znanih kot 'leptoni'.
Leta 1962 je skupina ameriških fizikov – sestavljena iz Leona M. Ledermana, Melvina Schwartza in Jacka Steinbergerja – uspela zaznati interakcije mionskega nevtrina, s čimer je pokazala, da obstaja več kot ena vrsta nevtrina. Hkrati so teoretični fiziki domnevali obstoj številnih drugih okusov nevtrinov, ki bi jih sčasoma eksperimentalno potrdili.
Tau delec je sledil v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, zahvaljujoč poskusom, ki so jih izvedli Nobelov nagrajenec fizik Martin Lewis Perl in njegovi kolegi v SLAC National Accelerator Laboratory. Dokazi o njegovem povezanem nevtrinu so sledili zahvaljujoč študiji tau razpada, ki je pokazala manjkajočo energijo in zagon, analogno manjkajoči energiji in zagonu, ki ju povzroča beta razpad elektronov.
Leta 2000 so tau nevtrino neposredno opazili zahvaljujoč neposrednemu opazovanju eksperimenta NU Tau (DONUT) pri Fermilab . To bi bil zadnji delec standardnega modela, ki bi ga lahko opazili do leta 2012, ko je CERN objavil, da je odkril delec, ki je bil verjetno dolgo iskan. Higgsov bozon .
Danes obstaja nekaj fizikov delcev, ki verjamejo, da obstajajo leptoni, ki še čakajo, da jih najdemo. Ti delci 'četrte generacije', če so res resnični, bi obstajali onkraj Standardnega modela fizike delcev in bi verjetno sodelovali s snovjo na še bolj eksotične načine.
Na Universe Today smo napisali veliko zanimivih člankov o leptonih in subatomskih delcih. tukaj Kaj so subatomski delci? , Kaj so Baryons? , Prvi trki LHC , Najdena dva nova subatomska delca , in fiziki Morda, samo morda, potrjujejo možno odkritje 5. sile narave.
Za več informacij ima SLAC-ov virtualni center za obiskovalce dober uvod Leptoni in obvezno preverite Skupina podatkov o delcih (PDG) Pregled fizike delcev.
Astronomska zasedba ima tudi epizode na to temo. tukaj Epizoda 106: Iskanje teorije vsega , in Epizoda 393: Standardni model – Leptoni in kvarki .
Viri: