Лептон

Лептоны — одно из двух семейств частиц вещества в Стандартной модели. К ним принадлежат электрон и все нейтрино. Другое семейство — кварки, из которых состоят протоны и нейтроны.

Название происходит от греческого leptós, «лёгкий», — обозначение из ранней поры физики частиц, которая ещё не знала тяжёлого тау-лептона и сегодня выглядит несколько неудачно.

Шесть лептонов

Они выступают тремя парами — поколениями:

К каждому есть античастица, то есть всего двенадцать.

Лептонная универсальность

Заряженные лептоны различаются почти только массой. Во всём остальном они ведут себя одинаково: они несут один и тот же заряд, одинаково сильно связываются со слабым взаимодействием и с фотоном.

Эта лептонная универсальность — одно из самых тщательно проверенных утверждений физики. Причина такой тщательности: найдись отклонение, это было бы окно за пределы Стандартной модели.

Годами казалось, что распады B-мезонов показывают такое отклонение, — электроны и мюоны появлялись там не в ожидаемом соотношении. После уточнённых измерений в ЦЕРН этот результат в значительной мере рассеялся.

Второй пробный камень — магнитный момент мюона. Его можно как измерить, так и вычислить, и то и другое с точностью до десяти знаков. Согласуются ли измерение и расчёт, составляет предмет ведущейся уже годами дискуссии, в которой и теоретическая сторона ещё не выяснена окончательно.

Отличие от кварков

Лептоны не несут цветового заряда. Поэтому они не участвуют в сильном взаимодействии и поддаются наблюдению поодиночке.

Кварки же никогда не встречаются свободными. Если попытаться растащить два, сила растёт с расстоянием, пока затраченной энергии не хватит на рождение новой пары кварков, — и получаются две связанные частицы вместо двух свободных кварков.

Электрон можно поймать и измерить. Отдельного кварка ещё никто никогда не видел.

Как открывали семейства

Первое поколение было полным с электроном (1897) и регистрацией антинейтрино Коуэном и Райнесом в 1956 году.

Второе появлялось постепенно. Мюон был открыт в 1936 году в космическом излучении и поначалу принят за совсем другую частицу — предполагали ту частицу, которая переносит ядерные силы. Когда это оказалось неверным, Исидор Раби, как рассказывают, спросил: «Кто это заказывал?» Соответствующее нейтрино нашли Шварц, Ледерман и Штайнбергер в 1962 году.

Третье открыл в 1975 году Мартин Перл тау-лептоном. Соответствующее нейтрино DONUT зарегистрировал лишь в 2000 году — 25 лет спустя.

Лептонное число

Каждому лептону приписывают +1, каждому антилептону −1. Во всех наблюдавшихся до сих пор процессах сумма сохраняется.

Кроме того, долгое время казалось, что сохраняется и число в каждом семействе. Именно это правило нарушили осцилляции нейтрино: мюонное нейтрино, которое по дороге становится тау-нейтрино, его нарушает.

Полное лептонное число при этом остаётся нетронутым. Падёт ли и оно, ответил бы безнейтринный двойной бета-распад.

Почему три

Почему поколений ровно три, а не два и не пять, не знает никто. Измерение на Z-бозоне говорит, что их три. Оно не говорит почему.

Столь же загадочны массы. От электрона до тау — множитель 3 500, а вниз к нейтрино — ещё по меньшей мере миллион. Для этой картины нет объяснения, есть лишь предположения.

Это один из открытых основных вопросов физики — и одна из причин, почему нейтрино исследуют столь внимательно. Они самые лёгкие и самые своеобразные представители этого порядка и тем самым наиболее вероятное место для неожиданности.

Родственные понятия

• Стандартная модель — рамка
• Мартин Перл — третье семейство
• W- и Z-бозоны — почему их три
• Космические мюоны — мюон в природе

Источники

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