Подробно:

Физика ядра и элементарных частиц

Элементарные частицы

---

Владимир Каланов.

Лептоны

В отличие от барионов и мезо́нов (см. подробнее о них дальше, В.К.) лептоны в настоящее время рассматриваются как элементарные частицы в буквальном смысле слова, не имеющие внутренней структуры, т.е. являются точечными или фундаментальными.

Лепто́нами называются элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии и имеющие спин 1/2, т. е. являющиеся фермионами. Второй признак исключает из класса лептонов фотон (и гравитон), также не участвующий в сильном взаимодействии.

К лепто́нам относятся электрон, нейтрино, а также мюон и другие похожие на электрон и нейтрино частицы. Своё название «лептоны» (в переводе с греческого — «легкие») получили потому, что первоначально к ним относились только электрон и нейтрино — самые легкие из элементарных частиц. Но впоследствии к лепто́нам причислили частицы, не уступающие по массе мезонам и даже барионам, поэтому название «лептоны» вряд ли следует признать удачным.

Среди лептонов, так же как и среди частиц других классов, встречаются электрически заряженные частицы, взаимодействующие между собой при помощи электромагнитных сил. Кроме электромагнитного, между лепто́нами существует ещё одно, очень слабое, взаимодействие, которое имеется также между лепто́нами и мезонами, и между лепто́нами и барионами. Нейтральный лептон — нейтрино — не имеет электрического заряда. Поэтому нейтрино взаимодействует с остальными частицами исключительно посредством слабых сил. По этой причине его очень долго не могли обнаружить экспериментально (см. также: "Нейтрино" на нашем сайте).

Итак, всего существует шесть типов лептонов: 3 из них обладают электрическим зарядом, а 3 — нет. Интересно то, что число видов лептонов (шесть) совпадает с числом кварков, если три "лица" одного и того же кварка рассматривать как одну частицу. Такое совпадение, по-видимому, указывает на какую-то глубокую взаимосвязь между лепто́нами и кварками. Наиболее известным лепто́ном, как уже говорилось, является электрон (е^-). Два других имеющих заряд лептона называются мюоном (µ) и тау-лепто́ном (таоном) (τ). Они отличаются от электрона большей массой. Каждый лептон с электрическим зарядом имеет соответствующее ему нейтрино: электронное (v_e), мюо́нное (v_µ) и тау-нейтрино (v_τ).

Другими словами, лептоны разбиты на три семейства, или, как принято теперь говорить, три лептонных дуплета: электрон и электронное нейтрино — электронный дублет, мюон и мюонное нейтрино — мюонный дублет, тау-лептон и тау-нейтрино — таонный дублет.

Лептонный заряд

Для того чтобы выделить класс лепто́нов из множества частиц и различить лептоны и антилептоны, прежде всего нейтри́но и антинейтри́но, была введена новая физическая величина — лепто́нный заряд L. По определению, для всех лептонов L= + 1, для всех антилептонов L= — 1, для остальных частиц L = 0. Таким образом, можно сказать, что антинейтрино отличается от нейтрино знаком лептонного заряда, подобно тому, как позитрон и электрон различаются знаками электрического заряда (и лептонного тоже). На первый взгляд может показаться, что такое различие является чисто формальным. Но главное здесь в том, что лепто́нный заряд, как считается, сохраняется в любом взаимодействии, и пока это предположение подтверждается всей совокупностью опытных данных.

В дальнейшем для каждого лептонного дублета потребовалось ввести свой «заряд»: электронный заряд L_e (электронное число) (не путать с электрическим зарядом), мюонный заряд (мюонное число) L_µ и таонный заряд (тау-число) L_τ. Считается, что во всех взаимодействиях сохраняется не только L, но и каждый его компонент L_e, L_µ, L_τ по отдельности.

Всё это сделано для объяснения того факта, что одни типы лептонных реакций (или реакций с участием лептонов), возможны, т.е. реально протекают, а другие — нет, не наблюдаются, т.е. число членов (электронное число, мюонное число и тау-число) в каждом семействе остается постоянным в ходе реакций. Но главное, все лептоны и антилептоны, в том числе три типа нейтри́но, а также нейтри́но и антинейтри́но данного типа, различаются характером взаи́мопревращений. Так, например, из реакций:

реакции взаимопревращений

Те, которые записаны слева, разрешены, и все они реально протекают, а те, которые записаны справа, запрещены и ни одна из них не наблюдалась. С помощью первой реакции было впервые экспериментально зарегистрировано (анти)нейтри́но (1953—1956). Реакция второго типа слева используется в настоящее время для регистрации солнечных нейтри́но.

Изучение процессов (1962), представленных в последней строке, показало отличие мюонных нейтрино от электронных нейтрино. В этих опытах первичный пучок протонов от ускорителя направлялся на мишень и генерировал вторичный пучок π⁺ — мезонов. Они распадались, и образующиеся в значительном количестве нейтри́но падали на свою мишень, хорошо защищенную от фона. Если бы мюонное нейтри́но было тождественно электронному, участвующему, например, в p—превращениях ядер, то гораздо более вероятным было бы образование в конечном состоянии электронов [реакция слева во второй строке], так как они много легче мюонов. На самом деле ни одного такого процесса не наблюдалось, а все они шли с образованием только мюонов [реакция слева в третьей строке].

Какова масса лептонов? Пояснения к массе нейтри́но.

Электрон — самый легкий из заряженных лептонов, мюон примерно в 200 раз тяжелее, а у таона масса превышает массу электрона примерно в 3500 раз. Кстати, масса таона почти вдвое больше массы протона. Отсюда ясно, сколь сильно изменился первоначальный смысл слова «лептон». До недавних пор практически никто не сомневался, что у всех нейтри́но масса в точности равна нулю (так же, как у фотона). Все прямые опыты по определению значений m_v основываются на измерении энергий заряженных частиц, образующихся в процессах того или иного распада вместе с соответствующими нейтри́но. С этой точки зрения лучше всего изучено электронное антинейтрино, масса которого определяется путем прецизионных измерений энергетического спектра электронов, образующихся при β—распаде атомных ядер. Форма этого спектра зависит от m_v. По мере совершенствования экспериментальной техники и процедуры обработки результатов измерений верхние границы для масс нейтри́но постепенно снижались. Установлено, что масса электронного нейтрино не превышает 10^-4m_e, масса мюонного нейтрино может оказаться уже сопоставимой с массой электрона, а таонное нейтрино в принципе может быть почти в 400 раз тяжелее электрона. Заметим, что здесь речь идёт именно о верхних границах масс нейтри́но, и они не исключают равенств m_v = 0.