"Физика (углублённый уровень)", Касьянов В.А.
Лептоны — фундаментальные частицы, которые не участвуют в сильном взаимодействии и, согласно современным данным, не состоят из более мелких частиц. К ним относятся электрон, мюон, тау-лептон и три соответствующих нейтрино. Эти шесть частиц образуют три поколения; заряженные лептоны имеют одинаковый заряд, но разные массы. Классификация лептонов помогает описывать распады и ядерные реакции, а лептонное число позволяет проверять, какие превращения частиц возможны.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Лептон — фундаментальная частица, не участвующая в сильном взаимодействии. К лептонам относятся электрон, мюон, тау-лептон и три нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Это определение отделяет их от кварков и частиц, составленных из кварков.
Поколение лептонов — пара из заряженного лептона и соответствующего ему нейтрино. Существуют электронное, мюонное и тау-поколения. Такая группировка помогает быстро установить, какое нейтрино связано с данным заряженным лептоном.
Лептонный аромат — вид лептона, связанный с его принадлежностью к электронному, мюонному или тау-семейству. Например, электронный аромат имеют электрон и электронное нейтрино. Аромат нужен, чтобы различать семейства частиц и учитывать их при описании реакций.
Лептонное число — квантовое число, которое приписывают лептонам и учитывают в законах сохранения. Лептону соответствует число +1, антилептону — −1, частице, не являющейся лептоном, — 0. С его помощью проверяют, согласуется ли реакция с сохранением лептонного числа.
Лептоны считают фундаментальными, потому что в экспериментах не обнаружено, что они состоят из более простых частиц. В отличие от протона и нейтрона, которые являются адронами и имеют кварковое строение, электрон описывается как элементарный объект. Поэтому в современной картине микромира лептоны и кварки выступают основными строительными частицами вещества.
Шесть лептонов распределены по трём поколениям: электрон и электронное нейтрино, мюон и мюонное нейтрино, тау-лептон и тау-нейтрино. В каждой паре одна частица заряжена, а другая нейтральна. Такое устройство отражает повторяющуюся структуру семейств, хотя частицы разных поколений не одинаковы по массе и свойствам.
Электрон, мюон и тау-лептон имеют одинаковый электрический заряд −e, но их массы различаются: электрон легче мюона, а мюон легче тау-лептона. Большая масса не означает больший заряд: заряд у всех трёх одинаков. Мюон и тау-лептон нестабильны и распадаются, тогда как свободный электрон стабилен; время жизни тяжёлых лептонов также различается.
Нейтрино электрически нейтральны, поэтому не отклоняются электрическим полем и не участвуют в электромагнитном взаимодействии. С веществом они взаимодействуют слабо, а вероятность столкновения отдельного нейтрино с частицами вещества мала. Нейтрино различаются лептонным ароматом: электронному, мюонному и тау-нейтрино соответствуют свои семейства.
Заряженные лептоны взаимодействуют электромагнитно, поскольку имеют электрический заряд, и также участвуют в слабом взаимодействии. Нейтрино не имеют заряда, поэтому для них характерно слабое взаимодействие. Сильное взаимодействие связано с кварками, а не с лептонами, поэтому ни электрон, ни мюон, ни нейтрино не относятся к его участникам.
| Лептон | Обозначение | Электрический заряд | Принадлежность к поколению | Особенность |
|---|---|---|---|---|
| Электрон | e⁻ | −e | Первое, электронное | Стабилен |
| Электронное нейтрино | νₑ | 0 | Первое, электронное | Нейтрально, слабо взаимодействует |
| Мюон | μ⁻ | −e | Второе, мюонное | Тяжелее электрона, нестабилен |
| Мюонное нейтрино | νμ | 0 | Второе, мюонное | Нейтрально, имеет мюонный аромат |
| Тау-лептон | τ⁻ | −e | Третье, тау | Самый тяжёлый заряженный лептон |
| Тау-нейтрино | ντ | 0 | Третье, тау | Нейтрально, имеет тау-аромат |
Чтобы определить поколение частицы, найдите её пару: заряженный лептон и нейтрино в строках таблицы относятся к одному семейству. Заряд помогает сразу отличить нейтрино от заряженных лептонов. Особенности в последнем столбце напоминают, что одинаковый заряд не означает одинаковую массу или устойчивость.
Условие: определите, какие из частиц — электрон, протон, нейтрино, кварк — относятся к лептонам. Нужно применить определение класса частиц, а не ориентироваться только на то, входят ли они в состав вещества. Протон — составная частица, а кварк относится к другому фундаментальному классу.
Вспомним, что лептоны не состоят из кварков и не участвуют в сильном взаимодействии.
Электрон и нейтрино относятся к списку лептонов. Протон является адроном, то есть составной частицей, а кварк — не лептон, а фундаментальная частица другого типа.
Проверим, что результат не включает ни адрон, ни кварк: оба эти объекта отличаются от лептонов по классификации.
Ответ: электрон и нейтрино.
Условие: укажите поколение и электрический заряд мюона и соответствующего ему нейтрино. Важно не смешать принадлежность к семейству с зарядом: поколение задаётся парой частиц, а заряд определяется отдельно. Обозначение μ относится к мюонному семейству.
Мюон и мюонное нейтрино составляют второе, или мюонное, поколение.
Мюон является заряженным лептоном, поэтому его заряд равен −e.
Нейтрино электрически нейтрально, следовательно, заряд мюонного нейтрино равен нулю.
Ответ: мюон и мюонное нейтрино относятся ко второму поколению; заряды равны −e и 0 соответственно.
Условие: электрон превращается в электронное нейтрино с испусканием других частиц. Определите, какие лептоны должны присутствовать среди продуктов реакции, чтобы сохранялись электрический заряд и лептонное число. Рассмотрим возможную комбинацию частиц; речь идёт о проверке законов сохранения, а не о доказательстве того, что такой распад электрона физически происходит.
У исходного электрона заряд −e и электронное лептонное число +1. У электронного нейтрино заряд 0 и то же электронное лептонное число +1.
После появления νₑ лептонное число уже сохранено, но заряд продуктов пока равен 0. Нужна частица с зарядом −e, поэтому подходит, например, мюон μ⁻.
Мюон добавляет мюонное лептонное число +1. Чтобы оно тоже не изменилось, добавим мюонное антинейтрино с числом −1 и нулевым зарядом.
Ответ: среди продуктов может быть комбинация νₑ, μ⁻ и мюонного антинейтрино. Суммарный заряд равен −e, электронное лептонное число сохраняется, а вклады μ⁻ и мюонного антинейтрино взаимно компенсируются.
Неверно считать нейтрино заряженными, потому что они входят в реакции вместе с электроном. Ошибка возникает из-за смешения заряда участника реакции и заряда всей системы. Проверка проста: у каждого нейтрино заряд равен нулю, а электрический заряд реакции считают отдельно для всех частиц.
Неверно относить мюон и тау-лептон к разным классам частиц. Они принадлежат разным поколениям, но оба являются заряженными лептонами; их массы и времена жизни различаются. Проверьте себя по классификации: оба имеют заряд −e и не участвуют в сильном взаимодействии.
Неверно связывать каждое поколение с отдельным электрическим зарядом. Поколение — это пара из заряженного лептона и нейтрино, а не значение заряда. Для самопроверки назовите обе частицы поколения и отдельно укажите их заряды: −e и 0.
Неверно делать вывод, что лептоны участвуют в сильном взаимодействии, раз они входят в состав вещества. Путаница появляется потому, что вещество содержит и лептоны, и адроны. Проверьте, на какие частицы действует сильное взаимодействие: на кварки, а не на лептоны.
Для изучения лептонов нужны знания об элементарных частицах, электрическом заряде и фундаментальных взаимодействиях: они помогают различать частицы и предсказывать их свойства. Лептоны участвуют в бета-распаде и других ядерных реакциях, поэтому их классификация нужна для анализа продуктов распада. Понятия поколения и лептонного числа пригодятся при дальнейшем изучении Стандартной модели и законов сохранения в микромире.
К лептонам относятся шесть частиц: три заряженных лептона и три нейтрино.
Лептоны объединены в три поколения.
Электрон, мюон и тау-лептон имеют заряд −e.
Нейтрино не имеют электрического заряда.
Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.
Нейтрино участвуют в слабом взаимодействии.
Почему электрон считают фундаментальной частицей?
У электрона не обнаружена внутренняя структура: он не состоит из кварков или других известных частиц. Поэтому в современной физике его относят к фундаментальным частицам.
Чем мюон отличается от электрона?
Мюон, как и электрон, имеет заряд −e и относится к заряженным лептонам. Он значительно тяжелее электрона и нестабилен: мюоны распадаются, тогда как свободный электрон стабилен.
Почему нейтрино трудно обнаружить?
Нейтрино не имеют электрического заряда и не участвуют ни в электромагнитном, ни в сильном взаимодействии. Они взаимодействуют с веществом главным образом через слабое взаимодействие, поэтому проходят большие расстояния, почти не сталкиваясь с частицами.
Сколько поколений лептонов существует?
Известны три поколения. В каждом есть заряженный лептон и соответствующее ему нейтрино: электронная пара, мюонная пара и тау-пара.
Участвуют ли лептоны в сильном взаимодействии?
Нет, ни один лептон не участвует в сильном взаимодействии. Оно действует на кварки, из которых состоят адроны, например протоны и нейтроны.
§91. Лептоны как фундаментальные частицы
