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轻子

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轻子
β衰变会发射出两种轻子:e
ν
e
组成 基本粒子
费米-狄拉克
第一代、第二代、第三代
基本相互作用 电磁引力
符号 l
反粒子 反轻子 (l)
类型 6 (电子电中微子μ子μ中微子τ子τ中微子
电荷 +1 e、0 e、−1 e
色荷 No
自旋 12

轻子(Lepton)是一种不参与强相互作用自旋为1/2的基本粒子。[1]电子是最为人知的一种轻子;大部分化学领域都会涉及到与电子的相互作用,原子不能没有它,所有化学性质都直接与它有关。轻子又分为两类:“带电轻子”与“中性轻子”。带电轻子包括电子、μ子τ子,可以与其它粒子组合成复合粒子,例如原子电子偶素等等。 在所有带电轻子中,电子的质量最轻,也是宇宙中最稳定、最常见的轻子;质量较重的μ子与τ子会很快地衰变成电子,μ子与τ子必须经过高能量碰撞制成,例如使用粒子加速器或在宇宙线探测实验。中性轻子包括电中微子μ中微子τ中微子;它们很少与任何粒子相互作用,很难被观测到。

轻子一共有六种风味,形成三个世代[2]第一代是电轻子,包括电子(e
)与电中微子 (ν
e
)。第二代是缈轻子,包括μ子(μ
)与μ中微子ν
μ
)。第三代是陶轻子,包括τ子τ
)与τ中微子ν
τ
)。

轻子拥有很多内秉性质,包括电荷自旋质量等等。轻子与夸克有一点很不相同:轻子不会感受到强作用力。轻子会感受到其它三种基础力:引力、弱作用力、电磁力。但是,由于中微子的电性是中性,中微子不会感受到电磁力。每一种轻子风味都有其对应的反粒子,称为“反轻子”。带电轻子与对应的反轻子唯一不同之处是带有电荷的正负号相反。根据某些理论,中微子是自己的反粒子,但这论点尚未被证实。

标准模型里,轻子扮演重要角色,电子是原子的成分之一,与质子中子共同组成原子。在某些被合成的奇异原子里,电子被更换为μ子或τ子。像电子偶素一类的轻子-反轻子粒子也可以被合成。

词源学

英文术语“lepton”源自希腊语λεπτόν”(leptón),是“λεπτός”(leptós)的中性,含意为"小、薄"。[3]莱昂·罗森菲尔德于1948年最先为英文术语“lepton”命名。 [4]

克理斯蒂安·莫勒英语Christian Møller教授的建议之后,决定用“lepton”(从“λεπτός”,小、薄)这字来称呼一种小质量的粒子。

这命名不正确地假定所有轻子的质量都很小。在洛森斐命名那时,学术界只知道有电子与μ子两种轻子。它们的质量的确很小,电子的质量为0.511 MeV[5]μ子的质量为105.7 MeV[6]比质子的质量938.3 MeV轻很多[7]。可是,在1970年代中期发现的τ子,它的质量是1777 MeV[8],几乎是质子的两倍。

历史

马丁·佩尔与他的实验团队发现τ子。
马丁·佩尔与他的实验团队发现τ子。

最先被辨识的轻子是电子,英国物理学者约瑟夫·汤姆孙与实验团队于1897年发现电子。[9] [10]1930年,沃尔夫冈·泡利大胆假设电中微子存在,这是为了解释β衰变的能量缺失问题,挽救能量守恒定律;泡利认为,所有最初与最终观察到的粒子的能量差,都被一种尚未探测到的粒子带走了,这粒子具有电中性,不会留下轨迹,所以很难探测到。[11][12]三年后,恩里科·费米给出理论,成功描述β衰变,强力支持泡利的假设。费米将这粒子命名为“中微子”,意思为“微小的中子”。在那时期,电中微子被称为中微子,因为尚未发现其它世代的中微子。1956年,克莱德·科温弗雷德里克·莱因斯共同完成科温-莱因斯中微子实验英语Cowan–Reines neutrino experiment首先直接观察到中微子的存在。[12][13]

在电子被发现大约40年之后,卡尔·安德森于1936年发现了μ子。由于它的质量,μ子最初被归类为介子,而不是轻子。[14]渐渐地,学者发觉μ子的性质更接近电子,只是质量比较大,而且μ子不会感受到强相对作用,不具有介子的性质。1947年,才有学者开始提议一群粒子被归类为轻子的概念。[12] 后来,μ子被重新归类,μ子、电子与电中微子一起被归类为轻子。1962年 利昂·莱德曼梅尔文·施瓦茨杰克·施泰因贝格尔做实验直接探测到μ中微子,证实不只一种中微子存在。[15]

马丁·佩尔与他的实验团队于1975年完成实验首先探测到τ子。[16]如同电子与μ子,物理学者认为它应该也有伴随的中微子,这是因为他们观察到类似β衰变的缺失能量问题。费米实验室的直接观察τ中微子实验(Direct Observation of the NU Tau,DONUT )团队于2000年探测到τ中微子参与作用的证据。[17]

虽然现有数据符合三个世代的轻子,有些粒子物理学者仍在寻找第四代带电轻子。这种带电轻子的质量下限为100.8 GeV[18]伴随它的中微子最少应该带有质量45.0 GeV[19]

性质

自旋与手征性

右手螺旋性(
  
    
      
        
          P
        
      
    
    {\displaystyle \mathbf {P} }
  
、
  
    
      
        
          S
        
      
    
    {\displaystyle \mathbf {S} }
  
同向)与左手螺旋性(
  
    
      
        
          P
        
      
    
    {\displaystyle \mathbf {P} }
  
、
  
    
      
        
          S
        
      
    
    {\displaystyle \mathbf {S} }
  
反向)。
右手螺旋性(同向)与左手螺旋性(反向)。

轻子是自旋12粒子,只能处于两种自旋态:上旋或下旋。自旋统计定理将它们按照自旋归类为费米子,遵守泡利不相容原理,因此任何两个全同的轻子不能同时占有相同的量子态。[20]:28-29

手征性螺旋性(helicity)是与自旋紧密相关的两种性质,螺旋性跟粒子的自旋与动量之间的相对方向有关;假若是同向,则粒子具有右手螺旋性,否则粒子具有左手螺旋性。对于不带质量粒子,这相对方向与参考系无关,可是,对于带质量粒子,由于可以借着洛伦兹变换来改换参考系,从不同的参考系观察,粒子动量不同,因此翻改螺旋性,可以从右手螺旋性翻改为左手螺旋性,或从左手螺旋性翻改为右手螺旋性。手征性是通过庞加莱群(Poincaré group)的变换来定义的性质。对于不带质量粒子,手征性与螺旋性一致;对于带质量粒子,手征性与螺旋性有别。[21]:137-138, 338-340

在很多量子场论里,例如量子电动力学量子色动力学,并没有对左手与右手费米子作任何区分,可是,在标准模型的弱相互作用理论里,按照手征性区分的左手与右手费米子被非对称地处理,只有左手费米子参与弱相互作用,右手中微子不存在。这是宇称违反的典型例子。[21]:ch 9.7

电磁相互作用

轻子-光子相互作用。
轻子-光子相互作用。

轻子的电荷决定了它所产生的电磁场,也决定了它怎样响应外电磁场。轻子的每个世代的组员都有一个带电轻子与一个中性轻子,例如,第一代轻子为电子e
与电中微子ν
e

使用量子场论的语言,带电轻子所涉及的电磁相互作用表达为这轻子与电磁场的量子(光子)彼此之间的相互作用。右图是电子-光子相互作用的费曼图

由于轻子具有自旋,带电轻子会产生磁场,磁偶极矩

其中,是轻子的质量,是轻子的g-因数(g-factor)。

一阶近似量子力学预测,对于所有轻子,g-因数为2;可是高阶量子效应,因为费曼图里的虚粒子圈对于这数字给出修正。这些修正,称为反常磁偶极矩(anomalous magnetic dipole moment),对于量子场论模型的细节非常敏感,因此是准确检验标准模型的好机会。对于电子测量其反常磁偶极矩所得到的实验数值符合理论结果至8个有效数字。[22]:197

弱相互作用

第一代轻子的弱相互作用。

在标准模型里,轻子可以按照手征性分为左手轻子与右手轻子;左手轻子的弱同位旋T为12,左手带电轻子与左手中微子的弱同位旋投影(弱同位旋的第三分量)T3分别为-12、+12,弱相互作用是由它们组成二重态(doublet state)(ν
e
L, e
L)
共同实现;右手带电轻子的弱同位旋T为0,形成单态,不参与弱相互作用;右手中微子并不存在。[21]:342-344

希格斯机制将弱同位旋SU(2)弱超荷U(1)对称的四个规范场,重新组合成传递弱相对作用的三个带质量玻色子 (W+
W
Z0
)与传递电磁相对作用的不带质量玻色子(光子)。通过盖尔曼-西岛方程,可以从弱同位旋投影T3与弱超荷YW计算出电荷Q

为了符合观察到的任何粒子所带有的电荷,所有左手弱同位旋二重态(ν
e
L, e
L)
的弱超荷YW必须为-1,而右手弱同位旋单态(e
R)
}的弱超荷YW必须为-2。

质量

在标准模型里,每一个轻子原本不具有内秉质量;通过与希格斯场耦合,带电轻子获得有效质量,但中微子仍旧不带质量,这意味着不同世代的带电轻子不会相互混合,与夸克的物理行为大不相同。这结果符合当今实验数据。[22]:27

但是,从实验中得知(最显著的是中微子振荡实验),[23]中微子实际带有微小质量,大约小于eV[24]这意味着后标准模型 (beyond the Standard Model)的物理现象。当今最被物理学者青睐的理论延伸是翘翘板机制,它可以解释为什么左手中微子的质量远轻于对应的带电轻子,为什么做实验尚未能观察到任何右手中微子。

轻子数

每一代轻子的成员组成一个弱同位旋二重态:

每一代弱同位旋二重态的成员都被分派一个轻子数。在标准模型里,轻子数守恒。[25]:27-49电子与电中微子的电子数Le为1。μ子与μ中微子的μ子数Lμ为1。τ子与τ中微子的τ子数Lτ为1。 反轻子的轻子数为对应轻子的轻子数乘以−1。

轻子数守恒的意思就是同类氢子数的代数和保持不变,当粒子耦合时;这意味着只有同一代的轻子与反轻子才能成对产生。例如,以下过程是被允许的:

e
+ e+
γ + γ
τ
+ τ+
Z0
+ Z0

以下过程是不被允许的:

γ e
+ μ+
W
e
+ ν
τ
Z0
μ
+ τ+

但是,中微子振荡违反单独轻子数守恒,这是后标准模型物理的确凿证据。更强的守恒定律是总轻子数守恒。中微子振荡遵守总轻子数守恒。但是,手征反常英语chiral anomaly稍微违反了这守恒定律。

普适性

轻子与对应的中微子之间的相互作用与风味无关,换句话说,对于电子与电中微子之间的相互作用、μ子与μ中微子之间的相互作用、τ子与τ中微子之间的相互作用,假若将质量差别纳入考量,则这三种相互作用的效应相等。这性质称为轻子相互作用的“普适性”。所有已知实验数据与这种普适性一致[25]:36-38做实验测量τ子与μ子的平均寿命,或Z玻色子衰变为轻子的部分衰变宽度,可以检验这性质。在大型正负电子对撞机斯坦福直线加速器里,完成了很多这类检验普适性的实验。[26]:241-243[27]:138

对于过程μ
e
+ ν
e
+ ν
μ
,μ子的衰变率以方程表示为(更详尽内容,请参阅μ子衰变[25]:36-38

其中,是常数,费米耦合常数是μ子的质量。

对于过程τ
e
+ ν
e
+ ν
τ
,τ子的衰变率以同样形式的方程表示为

其中,是常数,是τ子的质量。

μ子-τ子普适性意味着。普适性也能够解释μ子寿命与τ子寿命之间的关系。轻子的寿命与衰变率之间的关系为

其中,分别标记过程的分支比与共振宽度

τ子与μ子的寿命比因此为

从实验获得的μ子分支比与τ子分支比,可以计算出寿命比为大约1.328×10−7,实验测量得到的寿命比为 ~1.323×10−7。两者之差异是因为实际并不是常数,它们与轻子的质量有关。

另外,由于电子-μ子普适性,τ子衰变为电子的分支比(17.85%) 与衰变为μ子的分支比 (17.36%) 相同(在误差范围内):[8]

轻子列表

粒子/反粒子名字 符号 电荷 (e) 自旋 Le Lμ Lτ 质量(MeV) 寿命 () 通常衰变
电子 / 正子[5] e
/e+
−1/+1 12 +1/−1 0 0 0.510998910(13) 稳定 稳定
μ子 / 反μ子[6] μ
/μ+
−1/+1 12 0 +1/−1 0 105.6583668(38) 2.197019(21)×10−6 e
+ ν
e
+ ν
μ
τ子 / 反τ子[8] τ
/τ+
−1/+1 12 0 0 +1/−1 1776.84(17) 2.906(10)×10−13 参阅τ
衰变方式
电中微子 / 反电中微子[24] ν
e
/ν
e
0 12 +1/−1 0 0 < 0.0000022[28] 未知
μ中微子 / 反μ中微子[24] ν
μ
/ν
μ
0 12 0 +1/−1 0 < 0.17[28] 未知
τ中微子 / 反τ中微子[24] ν
τ
/ν
τ
0 12 0 0 +1/−1 < 15.5[28] 未知

参阅

参考文献

  1. ^ Lepton (physics). Encyclopædia Britannica. [2010-09-29]. 
  2. ^ R. Nave. Leptons. HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. [2010-09-29]. 
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  4. ^ L. Rosenfeld (1948)
  5. ^ 5.0 5.1 C. Amsler et al. (2008): Particle listings – e
  6. ^ 6.0 6.1 C. Amsler et al. (2008): Particle listings – μ
  7. ^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – p+
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 C. Amsler et al. (2008): Particle listings – τ
  9. ^ S. Weinberg. The Discovery of Subatomic Particles. Cambridge University Press. 2003. ISBN 0-521-82351-X. 
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  14. ^ S.H. Neddermeyer, C.D. Anderson; Anderson. Note on the Nature of Cosmic-Ray Particles. Physical Review. 1937, 51 (10): 884–886. Bibcode:1937PhRv...51..884N. doi:10.1103/PhysRev.51.884. 
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  20. ^ Mark Srednicki. Quantum Field Theory. Cambridge University Press. 25 January 2007. ISBN 978-1-139-46276-1. 
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  24. ^ 24.0 24.1 24.2 24.3 C.Amsler et al. (2008): Particle listings – Neutrino properties
  25. ^ 25.0 25.1 25.2 B.R. Martin, G. Shaw. Chapter 2 – Leptons, quarks and hadrons. Particle Physics. John Wiley & Sons. 2008. ISBN 0470032944. 
  26. ^ J. P. Cumalat. Physics in Collision 12. Atlantica Séguier Frontières. 1993. ISBN 978-2-86332-129-4. 
  27. ^ G Fraser. The Particle Century. CRC Press. 1 January 1998. ISBN 978-1-4200-5033-2. 
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