Lepton

Leptonen sind eine der beiden Familien von Materieteilchen im Standardmodell. Zu ihnen gehören das Elektron und alle Neutrinos. Die andere Familie sind die Quarks, aus denen Protonen und Neutronen bestehen.

Der Name kommt vom griechischen leptós, „leicht" — eine Bezeichnung aus der Frühzeit der Teilchenphysik, die das schwere Tau-Lepton noch nicht kannte und heute etwas unglücklich wirkt.

Die sechs Leptonen

Sie treten in drei Paaren auf, den Generationen:

Zu jedem gibt es ein Antiteilchen, also insgesamt zwölf.

Leptonuniversalität

Die geladenen Leptonen unterscheiden sich fast nur in der Masse. In allem anderen verhalten sie sich gleich: Sie tragen dieselbe Ladung, koppeln gleich stark an die schwache Wechselwirkung und an das Photon.

Diese Leptonuniversalität ist eine der am gründlichsten geprüften Aussagen der Physik. Der Grund für die Sorgfalt: Fände man eine Abweichung, wäre das ein Fenster jenseits des Standardmodells.

Über Jahre schienen Zerfälle von B-Mesonen eine solche Abweichung zu zeigen — Elektronen und Myonen traten dort nicht im erwarteten Verhältnis auf. Nach verfeinerten Messungen am CERN hat sich der Befund weitgehend aufgelöst.

Ein zweiter Prüfstein ist das magnetische Moment des Myons. Es lässt sich sowohl messen als auch berechnen, beides auf zehn Stellen genau. Ob Messung und Rechnung übereinstimmen, ist Gegenstand einer seit Jahren laufenden Debatte, in der auch die theoretische Seite noch nicht abschließend geklärt ist.

Der Unterschied zu Quarks

Leptonen tragen keine Farbladung. Sie nehmen deshalb nicht an der starken Wechselwirkung teil und lassen sich einzeln beobachten.

Quarks dagegen kommen niemals frei vor. Versucht man, zwei auseinanderzuziehen, wächst die Kraft mit dem Abstand, bis die eingesetzte Energie ausreicht, um ein neues Quarkpaar zu erzeugen — man erhält zwei gebundene Teilchen statt zweier freier Quarks.

Ein Elektron kann man einfangen und vermessen. Ein einzelnes Quark hat noch nie jemand gesehen.

Wie die Familien entdeckt wurden

Die erste Generation war mit dem Elektron (1897) und dem Nachweis des Antineutrinos durch Cowan und Reines 1956 vollständig.

Die zweite kam schrittweise. Das Myon wurde 1936 in der kosmischen Strahlung entdeckt und zunächst für ein ganz anderes Teilchen gehalten — man vermutete jenes Teilchen, das die Kernkräfte vermittelt. Als sich das als falsch erwies, soll Isidor Rabi gefragt haben: „Wer hat das bestellt?" Das zugehörige Neutrino fanden Schwartz, Lederman und Steinberger 1962.

Die dritte eröffnete Martin Perl 1975 mit dem Tau-Lepton. Das zugehörige Neutrino wies DONUT erst im Jahr 2000 nach — 25 Jahre später.

Die Leptonzahl

Man ordnet jedem Lepton +1 zu, jedem Antilepton −1. In allen bislang beobachteten Vorgängen bleibt die Summe erhalten.

Zusätzlich schien lange auch die Zahl je Familie erhalten zu sein. Genau diese Regel hat die Neutrinooszillation gebrochen: Ein Myon-Neutrino, das unterwegs zum Tau-Neutrino wird, verletzt sie.

Die Gesamtleptonzahl bleibt dabei unangetastet. Ob auch sie fällt, würde der neutrinolose Doppelbetazerfall beantworten.

Warum drei

Warum es genau drei Generationen gibt und nicht zwei oder fünf, weiß niemand. Die Messung am Z-Boson sagt, dass es drei sind. Sie sagt nicht, warum.

Ebenso rätselhaft sind die Massen. Vom Elektron zum Tau ist es ein Faktor 3.500, und zu den Neutrinos hinunter nochmals mindestens eine Million. Für dieses Muster gibt es keine Erklärung, nur Vermutungen.

Es ist eine der offenen Grundfragen der Physik — und einer der Gründe, warum Neutrinos so aufmerksam untersucht werden. Sie sind die leichtesten und eigentümlichsten Vertreter dieser Ordnung und damit der wahrscheinlichste Ort für eine Überraschung.

Verwandte Begriffe

• Standardmodell — der Rahmen
• Martin Perl — die dritte Familie
• W- und Z-Boson — warum es drei sind
• Kosmische Myonen — das Myon in der Natur

Quellen

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