レプトン

レプトンは標準模型における物質粒子の二つの族の一方である。 それには電子とすべてのニュートリノが属する。もう一方の族は、 陽子と中性子を構成するクォークである。

名前はギリシャ語のleptós、すなわち「軽い」に由来する— 重いタウ粒子をまだ知らなかった素粒子物理学の初期の呼び名であり、 今日ではいささか不都合に映る。

六つのレプトン

それらは三つの対、すなわち世代として現れる。

それぞれに反粒子があり、したがって全部で12個となる。

レプトン普遍性

荷電レプトンはほとんど質量においてのみ異なる。それ以外のすべてにおいて、 それらは同じようにふるまう。同じ電荷を担い、弱い相互作用と光子に同じ強さで結合する。

このレプトン普遍性は、物理学において最も入念に検証された主張の一つである。 その念入りさの理由はこうである。もし偏差が見つかれば、それは標準模型の彼方への窓となる。

長年にわたり、Bメソンの崩壊がそのような偏差を示すかに見えた。 そこでは電子とミュー粒子が期待される比では現れなかった。CERNでの測定が精密化された結果、 この知見はおおむね解消した。

第二の試金石はミュー粒子の磁気モーメントである。それは測定も計算も可能であり、 いずれも10桁の精度で行える。測定と計算が一致するかどうかは長年続く議論の対象であり、 その中では理論の側もまだ最終的な決着を見ていない。

クォークとの違い

レプトンは色荷を担わない。そのため強い相互作用には関与せず、単独で観測することができる。

これに対しクォークは決して自由な状態では現れない。 二つを引き離そうとすると距離とともに力が増し、 ついには投じたエネルギーが新しいクォーク対を生み出すに足るようになる— 二つの自由なクォークの代わりに、二つの束縛された粒子が得られるのである。

電子は捕捉して測定することができる。単独のクォークはまだ誰も見たことがない。

族はどのように発見されたか

第一世代は電子（1897年）と1956年のカワンとライネスによる反ニュートリノの検出によって完成した。

第二世代は段階的にそろった。ミュー粒子は1936年に宇宙線の中で発見され、 当初はまったく別の粒子と考えられた—核力を媒介する粒子だと推測されたのである。 それが誤りと分かったとき、 イジドール・ラービ（Isidor Rabi）は「誰がそれを注文したのか」と問うたと伝えられる。 対応するニュートリノは1962年にシュワルツ、レーダーマン、シュタインバーガーが見いだした。

第三世代は1975年にマーティン・パール（Martin Perl）がタウ粒子によって切り開いた。 対応するニュートリノをDONUTが検出したのはようやく2000年のことである—25年後であった。

レプトン数

すべてのレプトンに+1を、すべての反レプトンに−1を割り当てる。 これまでに観測されたすべての過程において、その総和は保たれる。

さらに長い間、族ごとの数も保存されるように見えた。 まさにこの規則をニュートリノ振動が破った。 途中でタウニュートリノになるミューニュートリノは、この規則に反する。

その際、全レプトン数は損なわれない。それも崩れるのかどうかは、 ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊が答えるであろう。

なぜ三つなのか

なぜちょうど三つの世代があり、二つでも五つでもないのかは誰も知らない。Zボソンでの測定は、 三つであることを告げる。それがなぜかは告げない。

同じく謎なのが質量である。電子からタウ粒子までは3,500倍の開きがあり、 そこからニュートリノまではさらに少なくとも100万倍下がる。この模様には説明がなく、 推測があるだけである。

これは物理学の未解決の根本問題の一つであり— ニュートリノがこれほど注意深く研究される理由の一つでもある。 ニュートリノはこの秩序の中で最も軽く最も風変わりな代表であり、 それゆえ驚きが現れる可能性が最も高い場所なのである。

関連する項目

• 標準模型—その枠組み
• マーティン・パール—第三の族
• WボソンとZボソン—なぜ三つなのか
• 宇宙線ミューオン—自然の中のミュー粒子

出典

• Particle Data Group: Review of Particle Physics, Leptons節。