Leptón

Los leptones son una de las dos familias de partículas de materia del modelo estándar. A ellos pertenecen el electrón y todos los neutrinos. La otra familia es la de los quarks, de los que constan los protones y los neutrones.

El nombre viene del griego leptós, «ligero» — una denominación de los primeros tiempos de la física de partículas, que aún no conocía el pesado leptón tau y que hoy resulta algo desafortunada.

Los seis leptones

Se presentan en tres pares, las generaciones:

A cada uno le corresponde una antipartícula, es decir, doce en total.

Universalidad leptónica

Los leptones cargados se diferencian casi solo en la masa. En todo lo demás se comportan igual: llevan la misma carga y se acoplan con la misma intensidad a la interacción débil y al fotón.

Esta universalidad leptónica es una de las afirmaciones más minuciosamente comprobadas de la física. La razón de ese esmero: si se encontrara una desviación, sería una ventana más allá del modelo estándar.

Durante años, las desintegraciones de mesones B parecieron mostrar una desviación así — allí electrones y muones no aparecían en la proporción esperada. Tras mediciones afinadas en el CERN, el hallazgo se ha disuelto en gran medida.

Una segunda piedra de toque es el momento magnético del muón. Puede tanto medirse como calcularse, ambas cosas con una precisión de diez cifras. Si medición y cálculo concuerdan es objeto de un debate que dura ya años, en el que tampoco el lado teórico está definitivamente aclarado.

La diferencia con los quarks

Los leptones no llevan carga de color. Por eso no participan en la interacción fuerte y pueden observarse individualmente.

Los quarks, en cambio, nunca aparecen libres. Si se intenta separar dos, la fuerza crece con la distancia hasta que la energía invertida basta para generar un nuevo par de quarks — se obtienen dos partículas ligadas en lugar de dos quarks libres.

Un electrón se puede capturar y medir. Un quark aislado no lo ha visto nunca nadie.

Cómo se descubrieron las familias

La primera generación quedó completa con el electrón (1897) y la detección del antineutrino por Cowan y Reines en 1956.

La segunda llegó por etapas. El muón se descubrió en 1936 en la radiación cósmica y al principio se tuvo por una partícula completamente distinta — se sospechaba que era aquella partícula que transmite las fuerzas nucleares. Cuando eso resultó ser falso, se dice que Isidor Rabi preguntó: «¿Quién ha pedido esto?» El neutrino correspondiente lo encontraron Schwartz, Lederman y Steinberger en 1962.

La tercera la abrió Martin Perl en 1975 con el leptón tau. El neutrino correspondiente no lo detectó DONUT hasta el año 2000 — 25 años más tarde.

El número leptónico

A cada leptón se le asigna +1, a cada antileptón −1. En todos los procesos observados hasta ahora la suma se conserva.

Además, durante mucho tiempo pareció conservarse también el número por familia. Justo esa regla la ha roto la oscilación de neutrinos: un neutrino muónico que en el camino se convierte en neutrino tauónico la viola.

El número leptónico total permanece con ello intacto. Si también él cae lo respondería la doble desintegración beta sin neutrinos.

Por qué tres

Por qué hay exactamente tres generaciones y no dos o cinco, nadie lo sabe. La medición en el bosón Z dice que son tres. No dice por qué.

Igual de enigmáticas son las masas. Del electrón al tau hay un factor 3 500, y bajando hasta los neutrinos, otro millón al menos. Para este patrón no hay explicación, solo conjeturas.

Es una de las preguntas fundamentales abiertas de la física — y una de las razones por las que los neutrinos se investigan con tanta atención. Son los representantes más ligeros y singulares de este ordenamiento y, por tanto, el lugar más probable para una sorpresa.

Términos relacionados

• Modelo estándar — el marco
• Martin Perl — la tercera familia
• Bosones W y Z — por qué son tres
• Muones cósmicos — el muón en la naturaleza

Fuentes

• Particle Data Group: Review of Particle Physics, sección Leptons.