轻子
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组成 | 基本粒子 |
---|---|
系 | 费米-狄拉克 |
代 | 第一代、第二代、第三代 |
基本相互作用 | 电磁、引力、弱 |
符号 | l |
反粒子 | 反轻子 ( l ) |
类型 | 6 (电子、电中微子、缈子、缈中微子、陶子、陶中微子) |
电荷 | +1 e、0 e、−1 e |
色荷 | No |
自旋 | 1⁄2 |
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、缈子、陶子,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;质量较重的缈子与陶子会很快地衰变成电子,缈子与陶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、缈中微子、陶中微子;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,包括缈子(
μ−
)与缈中微子 (
ν
μ)。第三代是陶轻子,包括陶子(
τ−
)与陶中微子(
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。
在标准模型里,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,电子被更换为缈子或陶子。像电子偶素一类的轻子-反轻子粒子也可以被合成。
词源学
[编辑]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]
在克理斯蒂安·莫勒教授的建议之后,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缈子两种轻子。它们的质量的确很小,电子的质量为MeV, 0.511 [5]缈子的质量为, 105.7 MeV[6]比质子的质量轻很多 938.3 MeV[7]。可是,在1970年代中期发现的陶子,它的质量是 1777 MeV[8],几乎是质子的两倍。
历史
[编辑]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/65/Martin_Perl_-_tau.jpg)
最先被辨识的轻子是电子,英国物理学者约瑟夫·汤姆森与实验团队于1897年发现电子。[9] [10]1930年,沃尔夫冈·包立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;包立认为,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,强力支持包立的假设。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·科温与弗雷德里克·莱因斯共同完成科温-莱因斯中微子实验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年发现了缈子。由于它的质量,缈子最初被归类为介子,而不是轻子。[14]渐渐地,学者发觉缈子的性质更接近电子,只是质量比较大,而且缈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,缈子被重新归类,缈子、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·施瓦茨与杰克·施泰因贝格尔做实验直接探测到缈中微子,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陶子。[16]如同电子与缈子,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陶中微子实验(Direct Observation of the NU Tau,DONUT )团队于2000年探测到陶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GeV, 100.8 [18]伴随它的中微子最少应该带有质量GeV。 45.0 [19]
性质
[编辑]自旋与手征性
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轻子是自旋1⁄2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,遵守包立不相容原理,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
手征性与螺旋性(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,由于可以藉著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,例如量子电动力学与量子色动力学,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
[编辑]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b5/Lepton-interaction-vertex-eeg.svg/200px-Lepton-interaction-vertex-eeg.svg.png)
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,磁偶极矩为
- ;
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
[编辑]
|
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1⁄2,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-1⁄2、+1⁄2,弱相互作用是由它们组成二重态(doublet state)(
ν
eL,
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)与弱超荷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
eL,
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
[编辑]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,这意味著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。 2 [24]这意味著后标准模型 (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,它可以解释为甚么左手中微子的质量远轻于对应的带电轻子,为甚么做实验尚未能观察到任何右手中微子。
轻子数
[编辑]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。缈子与缈中微子的缈子数Lμ为1。陶子与陶中微子的陶子数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;这意味著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:
以下过程是不被允许的:
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,手征反常稍微违反了这守恒定律。
普适性
[编辑]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、缈子与缈中微子之间的相互作用、陶子与陶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做实验测量陶子与缈子的平均寿命,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与史丹福直线加速器里,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
,缈子的衰变率以方程式表示为(更详尽内容,请参阅缈子衰变)[25]:36-38
- ;
其中,是常数,是费米耦合常数,是缈子的质量。
对于过程
τ−
→
e−
+
ν
e
+
ν
τ
,陶子的衰变率以同样形式的方程式表示为
- ;
其中,是常数,是陶子的质量。
缈子-陶子普适性意味著。普适性也能够解释缈子寿命与陶子寿命之间的关系。轻子的寿命与衰变率之间的关系为
- ;
其中,与分别标记过程的分支比与共振宽度。
陶子与缈子的寿命比因此为
- 。
从实验获得的缈子分支比与陶子分支比,可以计算出寿命比为大约×10−7,实验测量得到的寿命比为 ~ 1.328×10−7。两者之差异是因为 1.323、实际并不是常数,它们与轻子的质量有关。
另外,由于电子-缈子普适性,陶子衰变为电子的分支比(17.85%) 与衰变为缈子的分支比 (17.36%) 相同(在误差范围内):[8]
- 。
轻子列表
[编辑]粒子/反粒子名字 | 符号 | 电荷 (e) | 自旋 | Le | Lμ | Lτ | 质量(MeV) | 寿命 (秒) | 通常衰变 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
电子 / 正子[5] | e− / e+ |
−1/+1 | 1⁄2 | +1/−1 | 0 | 0 | 0.510998910(13) | 稳定 | 稳定 |
缈子 / 反缈子[6] | μ− / μ+ |
−1/+1 | 1⁄2 | 0 | +1/−1 | 0 | 105.6583668(38) | ×10−6 2.197019(21) | e− + ν e + ν μ |
陶子 / 反陶子[8] | τ− / τ+ |
−1/+1 | 1⁄2 | 0 | 0 | +1/−1 | 776.84(17) 1 | ×10−13 2.906(10) | http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s035.pdf (页面存档备份,存于互联网档案馆) |
电中微子 / 反电中微子[24] | ν e / ν e |
0 | 1⁄2 | +1/−1 | 0 | 0 | < 0.0000022[28] | 未知 | |
缈中微子 / 反缈中微子[24] | ν μ / ν μ |
0 | 1⁄2 | 0 | +1/−1 | 0 | < 0.17[28] | 未知 | |
陶中微子 / 反陶中微子[24] | ν τ / ν τ |
0 | 1⁄2 | 0 | 0 | +1/−1 | < 15.5[28] | 未知 |
参阅
[编辑]参考文献
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