렙톤
Lepton| 페르미온 범주 | 소립자 시대 | |||
|---|---|---|---|---|
| 유형 | 서브타입 | 첫번째 | 둘째 | 셋째 |
| 쿼크 (컬러) | 다운 타입의 | 밑. | 이상하다 | 맨 아래 |
| 업타입의 | 업. | 매력 | 정상 | |
| 렙톤스 (컬러 프리) | 부과된 | 전자 | 뮤온 | 타우온 |
| 중립의 | 전자 중성미자 | 뮤온 중성미자 | 타우 중성미자 | |
| 구성. | 소립자 |
|---|---|
| 통계 정보 | 페르미온 |
| 시대 | 첫째, 둘째, 셋째 |
| 상호 작용 | 전자기, 중력, 약체 |
| 기호. | ℓ |
| 반입자 | 안티렙톤 ()) |
| 종류들 | 6(금속, 전자 중성미자, 뮤온, 뮤온 중성미자, 타우, 타우 중성미자) |
| 전하 | +1 e, 0 e, −1 e |
| 색전하 | 아니요. |
| 스핀 | 1/2 |
입자 물리학에서, 렙톤은 [1]강한 상호작용을 거치지 않는 반정수 스핀(spin 1⁄2)의 소립자이다.렙톤의 두 가지 주요 부류가 존재합니다: 하전 렙톤과 중성 렙톤입니다.하전된 렙톤은 원자나 양전자와 같은 다양한 복합 입자를 형성하기 위해 다른 입자와 결합할 수 있는 반면 중성미자는 거의 어떤 것과도 상호작용하지 않고 결과적으로 거의 관찰되지 않습니다.모든 렙톤 중에서 가장 잘 알려진 것은 전자이다.
향미라고 알려진 렙톤에는 3세대로 분류된 6가지 [2]종류가 있습니다.전자 렙톤이라고도 불리는 1세대 렙톤은 전자(
e−
)와 전자 중성미자(
θ
e)로 구성되며, 2세대 렙톤은 뮤온(
μ−
)과 뮤온 중성미자(
θ
μ)로 구성되며, 3세대 렙톤은 타우(
θ−
)와 타우 중성미자(
θ
τ)로 구성됩니다.전자는 모든 하전된 렙톤 중에서 가장 작은 질량을 가지고 있다.무거운 뮤온과 황소는 입자 붕괴 과정을 통해 전자와 중성미자로 빠르게 변화할 것입니다. 즉, 높은 질량 상태에서 낮은 질량 상태로의 변화입니다.따라서 전자는 안정적이고 우주에서 가장 흔하게 하전된 렙톤인 반면 뮤온과 타우스는 높은 에너지 충돌에서만 생성될 수 있습니다.
렙톤은 전하, 스핀, 질량을 포함한 다양한 고유 특성을 가지고 있습니다.그러나 쿼크와 달리 렙톤은 강한 상호작용의 대상이 아니라 중력, 약한 상호작용, 그리고 전자석의 세 가지 기본적인 상호작용의 대상이 됩니다.이 세 가지 상호작용은 쿼크가 전하와 비례하므로 전기적으로 중성 중성미자에 대해서는 0이 됩니다.
모든 렙톤 맛에는 안티렙톤으로 알려진 대응되는 반입자가 있는데, 이것은 단지 일부 특성이 같은 크기를 가지지만 반대되는 징후를 가지고 있다는 점에서 렙톤과 다릅니다.어떤 이론에 따르면, 중성미자는 그들 자신의 반입자일 수 있다.이것이 사실인지 아닌지는 현재 알려지지 않았다.
최초의 전하 렙톤인 전자는 19세기 중반에 몇몇 과학자들에[3][4][5] 의해 이론화되었고 1897년 J. J.[6] 톰슨에 의해 발견되었다.다음으로 관찰된 렙톤은 칼 D가 발견한 뮤온이었다. 1936년에 앤더슨은 당시 [7]중간자로 분류되었다.조사 결과 뮤온은 중간자의 성질이 예상된 것이 아니라 전자처럼 작용하고 질량이 더 높다는 것이 밝혀졌다.1947년까지 "렙톤"의 개념이 입자의 집합으로서 [8]제안되기까지 걸렸다.최초의 중성미자인 전자 중성미자는 1930년 볼프강 파울리에 의해 [8]베타 붕괴의 특정한 특징들을 설명하기 위해 제안되었다.1956년 [8][9]클라이드 코완과 프레더릭 라인즈가 수행한 코완-라인 중성미자 실험에서 처음 관찰되었다.뮤온 중성미자는 1962년 레온 M에 의해 발견되었다. 1974~1977년 마틴 루이스 펄과 스탠퍼드 선형가속기센터와 로렌스 버클리 [11]국립연구소의 동료들에 의해 발견된 타우.[10]타우 중성미자는 페르미랍의 도넛 협업이 발견을 [12][13]발표한 2000년 7월까지 발견되지 않았다.
렙톤은 표준 모델의 중요한 부분입니다.전자는 양성자와 중성자와 함께 원자의 구성 요소 중 하나이다.양전자와 같은 렙톤-안틸렙톤 입자뿐만 아니라 전자 대신 뮤온과 타우스를 가진 외래 원자들도 합성될 수 있다.
어원학
렙톤이라는 이름은 그리스어 렙토스(fine, small, thin)에서 유래했다.이 단어의 가장 이른 형태는 선형 B음절 [16]문자로 쓰인 미케네어 그리스어 렙톤([14][15]my-po-to.렙톤은 1948년 [17]물리학자 레온 로젠펠트에 의해 처음 사용되었습니다.
교수님의 제안에 따라.C. Möller, 나는 작은 질량의 입자를 나타내기 위해 "핵"의 펜던트로서 "렙톤"이라는 명칭(from" small, ,,, ,,, ,,, ,,, )), )), ))), )))), ))))), ))))), pton)))))을 채택한다.
Rosenfeld는 당시 알려진 유일한 렙톤이 핵자에 비해 질량이 작은 전자와 뮤온이었기 때문에 이 이름을 선택했습니다. 즉, 전자의 질량(0.5112 [18]MeV/c)과 뮤온의 질량(105.72 [19]MeV/c의 값)은 "무거운" 양성자의 질량의 일부입니다(938.3 MeV/C2).[20]그러나 타우의 질량은 양성자의 거의 두 배, [21]전자의 약 3,500배이다2.
역사
| 파티클명 | 반물질명 |
|---|---|
| 전자 | 안티렉트론 양전자 |
| 전자 중성미자 | 전자 반중성미자 |
| 뮤온 머프톤 뮤 | 안티뮤온 안티무렙톤 안티무 |
| 뮤온 중성미자 뮤오닉 중성미자 뮤 중성미자 | 뮤온 안티뉴트리노 뮤오닉 안티뉴트리노 뮤 안티뉴트리노 |
| 타우온 타우렙톤 타우 | 안타우온 안티토렙톤 안티토 |
| 타우온 중성미자 타우닉 중성미자 타우 중성미자 | 타우온 안티뉴트리노 타우어족 반중성미자 타우 안티뉴트리노 |
처음 확인된 렙톤은 J.J.에 의해 발견된 전자입니다. 1897년 톰슨과 그의 영국 물리학자 [22][23]팀.1930년 볼프강 파울리는 에너지 보존, 운동량 보존, 베타 붕괴 [24]각운동량 보존을 위해 전자 중성미자를 가정했다.Pauli는 검출되지 않은 입자가 초기 입자와 관측된 최종 입자의 에너지, 운동량, 각 운동량 사이의 차이를 운반하고 있다는 이론을 세웠다.전자 중성미자는 중성미자로 불렸는데, 중성미자가 다른 향미(또는 다른 세대)를 가지고 있다는 것이 아직 알려져 있지 않았기 때문이다.
전자가 발견된 지 거의 40년 후, 뮤온은 칼 D에 의해 발견되었다. 1936년 앤더슨.질량이 크기 때문에 처음에는 [25]렙톤이 아닌 중간자로 분류되었다.뮤온이 강한 상호작용을 겪지 않기 때문에 뮤온이 중간자보다 전자와 훨씬 더 유사하다는 것이 나중에 분명해졌고, 뮤온은 전자, 뮤온, 그리고 (전자) 중성미자가 새로운 입자 그룹인 렙톤으로 분류되었다.1962년, 레온 M. 레더맨, 멜빈 슈워츠, 잭 스타인버거는 뮤온 중성미자의 상호작용을 처음 발견함으로써 중성미자의 여러 가지 맛이 이미 [26]이론화 되었음에도 불구하고, 1988년 노벨상을 받았다.
타우는 1974년과 1977년 사이 마틴 루이스 펄과 SLAC LBL [27]그룹의 동료들에 의해 일련의 실험에서 처음 발견되었다.전자와 뮤온처럼, 그것 역시 중성미자를 가지고 있을 것으로 예상되었다.타우 중성미자에 대한 첫 번째 증거는 전자 중성미자의 발견으로 이어지는 베타 붕괴에서의 에너지와 운동량 "부족"과 유사한 타우 붕괴에서의 에너지와 운동량의 관찰로부터 나왔다.타우 중성미자 상호작용의 첫 번째 검출은 2000년 페르미랍의 도넛 협업을 통해 발표되었으며, 이는 2012년에 힉스 입자가 발견되면서 표준 모델에서 두 번째로 최근에 [28]관측된 입자가 되었다.
현재 데이터는 모두 렙톤 3세대와 일치하지만 일부 입자물리학자는 4세대를 찾고 있다.이러한 네 번째 하전 렙톤 질량의 현재 하한은 100.8 GeV/c이며2,[29][30] 관련 중성미자는 최소 45.0 GeV/c의2 질량을 가진다.
특성.
회전과 키랄리티
렙톤은 회전하고 있다. 1/2 입자따라서 스핀 통계 정리는 이들이 페르미온이며, 따라서 파울리 배타 원리의 적용을 받는다는 것을 암시한다.같은 종의 두 렙톤은 동시에 같은 상태에 있을 수 없다.또한 렙톤은 위 또는 아래 두 가지 스핀 상태만 가질 수 있습니다.
밀접하게 관련된 특성은 키랄리티이며, 이는 헬리시티라고 불리는 보다 쉽게 시각화된 특성과 밀접하게 관련되어 있습니다.입자의 나선성은 운동량에 상대적인 회전 방향이다. 운동량과 같은 방향으로 회전하는 입자를 오른손잡이라고 하고 다른 방법으로 왼손잡이라고 한다.입자가 질량이 없는 경우 스핀에 대한 운동량의 방향은 모든 기준 프레임에서 동일하지만, 질량이 큰 입자의 경우 더 빠르게 움직이는 기준 프레임을 선택하여 입자를 '오버'할 수 있습니다. 더 빠른 프레임에서는 헬리시티가 반전됩니다.키랄리티는 Poincaré 그룹의 변환 동작을 통해 정의된 기술적 특성으로, 참조 프레임에 따라 변경되지 않습니다.질량이 없는 입자에 대해서는 헬리시티와 일치하도록 설계되었으며 질량이 있는 입자에 대해서는 여전히 잘 정의되어 있습니다.
양자 전기역학이나 양자 색역학 같은 많은 양자장 이론에서 왼손과 오른손 페르미온은 동일하다.그러나 표준 모델의 약한 상호작용은 왼손잡이 페르미온과 오른손잡이 페르미온을 다르게 취급합니다.약한 상호작용에는 왼손 페르미온(및 오른손잡이의 안티페미온)만 참여합니다.이는 모델에 명시적으로 기록된 패리티 위반의 예입니다.문헌에서 왼손잡이는 종종 대문자 L 첨자(예를 들어 정상전자L−: e)로 표시되고 오른손잡이는 대문자 R 첨자(예를 들어 양전자R+ e)로 나타난다.
오른손 중성미자 및 왼손 반중성미자는 다른 입자와 상호작용할 수 없으므로(무균 중성미자 참조), 표준 모델의 기능적인 부분이 아닙니다. 이러한 배제는 엄격한 요건이 아닙니다. 때때로 입자 표에 열거되어 있습니다.모델. 비록 전하를 띤 오른손잡이 입자(전자, 뮤온 또는 타우)가 약한 상호작용에 특별히 관여하지 않더라도, 그들은 여전히 전기적으로 상호작용할 수 있고, 따라서 다른 강도(YW)를 가지더라도 결합된 전기-약력에 참여할 수 있다.
전자기 상호작용
렙톤의 가장 두드러진 특성 중 하나는 전하인 Q입니다.전하가 전자파 상호작용의 강도를 결정합니다.이는 입자가 생성하는 전계의 강도(쿨롱의 법칙 참조)와 입자가 외부 전기장 또는 자기장에 얼마나 강하게 반응하는지를 결정합니다(로렌츠 힘 참조).각 세대는 Q - =-의[a] 렙톤과 0 전하를 갖는 렙톤을 포함합니다.전하를 띤 렙톤은 일반적으로 하전 렙톤이라고 불리는 반면 중성 렙톤은 중성미자라고 불립니다.예를 들어 제1세대는 음전하를 가진 전자e와−
전기적으로 중성인 전자중성미자θ로
e 구성된다.
양자장 이론의 언어로 하전된 렙톤의 전자기 상호작용은 입자가 전자장의 양자인 광자와 상호작용한다는 사실로 표현된다.전자-광자 상호작용의 파인만 다이어그램은 오른쪽에 표시되어 있습니다.
렙톤은 스핀의 형태로 고유의 회전을 가지고 있기 때문에, 하전된 렙톤은 자기장을 생성합니다.그들의 자기 쌍극자 모멘트 μ의 크기는 다음과 같이 주어진다.
여기서 m은 렙톤의 질량이고 g는 렙톤의 소위 "g 인자"이다.1차 양자 역학 근사에서는 모든 렙톤에 대해 g 인자가 2라고 예측합니다.그러나 파인만 다이어그램의 루프로 인한 고차 양자 효과는 이 값을 보정합니다.이상 자기 쌍극자 모멘트라고 불리는 이러한 보정은 양자장 이론 모델의 세부 사항에 매우 민감하며, 따라서 표준 모델의 정밀도 테스트의 기회를 제공합니다.전자 이상 자기 쌍극자 모멘트에 대한 이론 및 측정값은 8개의 유의한 [31]수치 내에서 일치한다.그러나 뮤온에 대한 결과는 문제가 있어 표준 모델과 실험 사이에 작고 지속적인 불일치가 있음을 시사한다.
약한 상호작용
| ||||||
표준 모델에서 왼손 하전 렙톤과 왼손 중성미자는 약한 이소스핀 SU(2) 게이지 대칭의 스피너 표현(T = 1µ2)으로 변환되는 더블렛(θe L, e−
L)으로 배열된다.즉, 이 입자들이 각각 고유값 ++1 and2와 -+1 respect2를 갖는 아이소스핀 투영3 T의 고유 상태임을 의미합니다.한편, 오른손잡이 하전 렙톤은 약한 이소스핀 스칼라(T = 0)로 변형되어 약한 상호작용에 참여하지 않지만, 오른손잡이 중성미자가 존재한다는 증거는 전혀 없다.
힉스 메커니즘은 약한 아이소스핀 SU(2)와 약한 하이퍼차지 U(1) 대칭의 게이지장을 약한 상호작용을 매개하는 3개의 거대한 벡터 보손(
W+
, W−
, Z0
)과 전자기 상호작용을 담당하는 광자인 1개의 질량 없는 벡터 보손으로 재결합한다.전하 Q는 겔-만-니시지마 공식을 통해 이소스핀 투영3 T와 약한 초전하W Y에서 계산할 수 있다.
- Q = T3 + 1⁄2 YW.
따라서 모든 입자에 대해 관측된 전하를 회복하려면 왼손 약 아이소스핀 더블렛(θ, ee L−
L)은W Y = -1이어야 하며 오른손 아이소스핀 스칼라−
R e는W Y = -2여야 한다.렙톤과 거대 약 상호작용 벡터 보손의 상호작용은 오른쪽 그림에 나와 있습니다.
덩어리
표준 모델에서 각 렙톤은 고유 질량 없이 시작됩니다.하전된 렙톤(전자, 뮤온, 타우)은 힉스장과의 상호작용을 통해 유효 질량을 얻지만 중성미자는 질량이 없는 상태로 남아 있다.기술적인 이유로 중성미자의 무질량은 쿼크처럼 다른 세대의 하전 렙톤 혼합이 없다는 것을 의미합니다.중성미자의 제로 질량은 [32]질량에 대한 현재의 직접 실험 관측과 밀접하게 일치한다.
그러나 중성미자는 아마도[33] 2 eV/c보다2 작은 0이 아닌 [34]질량을 가져야 한다는 것은 간접 실험으로 알려져 있다.이는 표준 모델을 벗어난 물리학의 존재를 암시합니다.현재 가장 선호되는 확장은 이른바 시소 메커니즘으로, 왜 왼손 중성미자가 대응하는 하전 렙톤에 비해 매우 가벼운지, 그리고 왜 오른손 중성미자를 아직 보지 못했는지 둘 다 설명할 수 있다.
렙톤 맛 양자수
각 세대의 약한 이소스핀 더블렛의 구성원에게는 표준 [35]모형에서 보존되는 렙톤 번호가 할당됩니다.전자와 전자 중성미자는 전자 수가 Le = 1인 반면 뮤온과 뮤온 중성미자는 L = 1인μ 반면 타우 입자와 타우 중성미자는 L = 1의τ 타우온 수를 갖는다.항립톤은 각 세대의 렙톤 수가 -1이다.
렙톤 수를 보존한다는 것은 입자가 상호작용할 때 같은 유형의 렙톤 수가 그대로 유지된다는 것을 의미합니다.이것은 렙톤과 항립톤이 한 세대로 쌍으로 생성되어야 한다는 것을 의미합니다.예를 들어, 렙톤수를 보존하는 경우 다음 프로세스가 허용됩니다.
단, 이것들은 아닙니다.
그러나 중성미자 진동은 개별 렙톤수 보존에 위배되는 것으로 알려져 있다.이러한 위반은 표준 모델을 벗어난 물리학에 대한 흡연 총기 증거로 간주됩니다.보다 강력한 보존 법칙은 중성미자 진동의 경우에도 보존되는 총 렙톤 수(첨자가 없는 L)를 보존하는 것이지만, 키랄 이상에 의해 매우 적은 양으로도 여전히 위반됩니다.
유니버설리티
모든 유형의 게이지 보손에 대한 렙톤 결합은 맛에 의존하지 않습니다.렙톤과 게이지 보손 사이의 상호작용은 각 [35]렙톤에 대해 동일하게 측정됩니다.이 성질은 렙톤 보편성이라고 불리며 뮤온과 타우 수명 및 Z 보손 부분 붕괴 폭의 측정
, 특히 스탠포드 선형 충돌기([36]: 241–243 [37]: 138 SLC)와 대형 전자-양전자 충돌기(LEP) 실험에서 테스트되었습니다.
μ → e−
+ δ
e + δ + δ
μ μ 공정을
−
통한 뮤온의 붕괴율( \ )은 대략 형태 표현으로 나타낸다(자세한 [35]내용은 뮤온 붕괴 참조).
여기서2 K는 어떤 상수이고F G는 페르미 결합 상수이다.프로세스
−
−
→ → e + + + ν
e
τ + ν을 통한 타우 입자의 붕괴 속도는 동일한[35] 형태의 식에 의해 주어진다.
여기서3 K는 다른 상수입니다.뮤온-타우온 보편성은 K k3 K를 의미한다2. 반면, 전자-뮤온 보편성은[35] 다음을 의미한다.
따라서 타우 붕괴의 전자 모드(17.82%)와 뮤온 모드(17.39%)의 분기 비율이 동일한(오차 [21]내) 이유가 설명됩니다.
보편성은 뮤온과 타우 수명의 비율도 설명한다. 렙톤 렙톤displaystyle)의 T(\_ell는 다음과 같이 붕괴율과[35] 관련이 있다.
- e _{e}}+\nu _}\
서 B { y는 분기 비율을 나타내고 { y는 x 의 공진폭을 나타냅니다.
타우와 뮤온 수명의 비율은 다음과 같이 주어진다[35].
뮤온과[19][21] 타우의 분기 비율에 대해 2008년 입자 물리학 리뷰 값을 사용하면 측정된 수명 비율 ~1.32×10에−7 필적하는 수명 비율이 약 1.29×10이−7 된다.이러한 차이는 K와3 K가 실제로 상수가 아니기 때문입니다2.그들은 관련된 렙톤의 질량에 약간 의존한다.
LHCb, BaBar 및 Belle 실험에 의해 수행된 B 중간자 붕괴에서의
렙톤 보편성 검정은 표준 모형 예측에서 일관된 편차를 보였습니다.그러나 통계적, 체계적 의미를 합친 것은 아직 새로운 [38]물리학의 관찰을 주장할 만큼 높지 않다.
2021년 7월 렙톤 보편성 테스트 W가 발표되었으며, LEP에 의한 이전 측정치는 약간의 불균형을 보였지만 ATLAS 협업에 의한 새로운 측정치는2배의 정밀도를 가지며 -+ 의 비율을 . _ _0.으로 통일성의 표준[39][40][41] 모델 예측과 일치합니다.
렙톤 표
렙톤 특성 스핀
J파티클 또는
반물질명기호. 외상으로 하겠습니다.
Q (e)[a]렙톤 플레이버 번호 덩어리
(MeV/c2)라이프 타임
(초)Le Lμ Lτ 1 /2 전자[18]
이−
−1 +1 0 0 0.510998910
(±13)안정적인. 양전자[18]
이+
+1 −1 뮤온[19]
μ−
−1 0 +1 0 105.6583668
(±38)2.17019×10−6
(±21)안티뮤온[19]
μ+
+1 −1 타우[21]
τ−
−1 0 0 +1 1776.84
(±.17)2.906×10−13
(±.010)안티토[21]
τ+
+1 −1 전자 중성미자[34]
ν
e0 +1 0 0 0.0000022[42] 미만 알 수 없는 전자 반중성미자
ν
e−1 뮤온 중성미자[34]
ν
μ0 0 +1 0 < 0.17[42] 알 수 없는 뮤온 안티뉴트리노[34]
ν
μ−1 타우 중성미자[34]
ν
τ0 0 0 +1 15.5 미만[42] 알 수 없는 타우 안티뉴트리노[34]
ν
τ−1
「 」를 참조해 주세요.
메모들
레퍼런스
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외부 링크
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- "Leptons". Physics & Astronomy. Georgia State University. Hyperphysics. – 렙톤 요약.