Leptón

Clase de partículas elementales

En física de partículas , un leptón es una partícula elemental de espín semientero ( espín ⁠1/2) que no experimenta interacciones fuertes . ^[1] Existen dos clases principales de leptones: leptones cargados (también conocidos como leptones similares a electrones o muones), que incluyen el electrón , el muón y el tauón , y leptones neutros, mejor conocidos como neutrinos . Los leptones cargados pueden combinarse con otras partículas para formar varias partículas compuestas como átomos y positronio , mientras que los neutrinos rara vez interactúan con algo y, en consecuencia, rara vez se observan. El más conocido de todos los leptones es el electrón .

Hay seis tipos de leptones, conocidos como sabores , agrupados en tres generaciones . ^[2] Los leptones de primera generación , también llamados leptones electrónicos , comprenden el electrón (
mi⁻
) y el neutrino electrónico (
no
_mi); los segundos son los leptones muónicos , que comprenden el muón (
micras⁻
) y el neutrino muónico (
no
_micras); y el tercero son los leptones tauónicos , que comprenden el tau (
τ⁻
) y el neutrino tau (
no
_τ). Los electrones tienen la menor masa de todos los leptones cargados. Los muones y taus más pesados ​​se transformarán rápidamente en electrones y neutrinos a través de un proceso de desintegración de partículas : la transformación de un estado de mayor masa a un estado de menor masa. Por lo tanto, los electrones son estables y el leptón cargado más común en el universo , mientras que los muones y taus solo se pueden producir en colisiones de alta energía (como las que involucran rayos cósmicos y las que se llevan a cabo en aceleradores de partículas ).

Los leptones tienen varias propiedades intrínsecas , entre ellas la carga eléctrica , el espín y la masa . Sin embargo, a diferencia de los quarks , los leptones no están sujetos a la interacción fuerte , pero sí a las otras tres interacciones fundamentales : la gravitación , la interacción débil y el electromagnetismo , de las cuales esta última es proporcional a la carga y, por tanto, es cero para los neutrinos eléctricamente neutros.

Para cada tipo de leptón existe un tipo de antipartícula correspondiente , llamada antileptón, que se diferencia del leptón solo en que algunas de sus propiedades tienen la misma magnitud pero signo opuesto . Según ciertas teorías, los neutrinos podrían ser su propia antipartícula . Actualmente no se sabe si este es el caso.

El primer leptón cargado, el electrón, fue teorizado a mediados del siglo XIX por varios científicos ^{[3] [4] [5]} y fue descubierto en 1897 por JJ Thomson . ^[6] El siguiente leptón en ser observado fue el muón , descubierto por Carl D. Anderson en 1936, que fue clasificado como un mesón en ese momento. ^[7] Después de la investigación, se dio cuenta de que el muón no tenía las propiedades esperadas de un mesón, sino que se comportaba como un electrón, solo que con mayor masa. Hubo que esperar hasta 1947 para que se propusiera el concepto de "leptones" como una familia de partículas. ^[8] El primer neutrino, el neutrino electrónico, fue propuesto por Wolfgang Pauli en 1930 para explicar ciertas características de la desintegración beta . ^[8] Fue observado por primera vez en el experimento de neutrinos Cowan-Reines realizado por Clyde Cowan y Frederick Reines en 1956. ^{[8] [9]} El neutrino muónico fue descubierto en 1962 por Leon M. Lederman , Melvin Schwartz y Jack Steinberger , ^[10] y el tau fue descubierto entre 1974 y 1977 por Martin Lewis Perl y sus colegas del Centro del Acelerador Lineal de Stanford y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . ^[11] El neutrino tau permaneció esquivo hasta julio de 2000, cuando la colaboración DONUT de Fermilab anunció su descubrimiento. ^{[12] [13]}

Los leptones son una parte importante del Modelo Estándar . Los electrones son uno de los componentes de los átomos , junto con los protones y los neutrones . También se pueden sintetizar átomos exóticos con muones y taus en lugar de electrones, así como partículas leptón-antileptón como el positronio .

Etimología

El nombre leptón proviene del griego λεπτός leptós , "fino, pequeño, delgado" ( forma singular nominativo/acusativo neutro : λεπτόν leptón ); ^{[14] [15]} la forma más antigua atestiguada de la palabra es el griego micénico 𐀩𐀡𐀵 , re-po-to , escrito en escritura silábica lineal B. ^[16] Leptón fue utilizado por primera vez por el físico Léon Rosenfeld en 1948: ^[17]

Siguiendo una sugerencia del Prof. C. Møller , adopto —como complemento de "nucleón"— la denominación "leptón" (de λεπτός, pequeño, delgado, delicado) para designar una partícula de pequeña masa.

Rosenfeld eligió el nombre como el nombre común para los electrones y (entonces hipotetizó) los neutrinos. Además, el muón, clasificado inicialmente como un mesón, fue reclasificado como un leptón en la década de 1950. Las masas de esas partículas son pequeñas en comparación con los nucleones: la masa de un electrón (0,511  MeV/ c ² ) ^[18] y la masa de un muón (con un valor de105,7 MeV/ c ² ) ^[19] son ​​fracciones de la masa del protón "pesado" (938,3 MeV/ c ² ), y la masa de un neutrino es casi cero. ^[20] Sin embargo, la masa de la tau (descubierta a mediados de la década de 1970) (1777 MeV/ c ² ) ^[21] es casi el doble que el del protón y3477 ‍ [ ^22] veces la del electrón.

Historia

Un muón se transmuta en un neutrino muónico emitiendo un
Yo⁻
bosón . El
Yo⁻
El bosón posteriormente se desintegra en un electrón y un antineutrino electrónico .

El primer leptón identificado fue el electrón, descubierto por JJ Thomson y su equipo de físicos británicos en 1897. ^{[23] [24]} Luego, en 1930, Wolfgang Pauli postuló que el neutrino electrónico preservaba la conservación de la energía , la conservación del momento y la conservación del momento angular en la desintegración beta . ^[25] Pauli teorizó que una partícula no detectada se llevaba la diferencia entre la energía , el momento y el momento angular de las partículas iniciales y las finales observadas. El neutrino electrónico se llamó simplemente neutrino, ya que aún no se sabía que los neutrinos venían en diferentes sabores (o diferentes "generaciones").

Casi 40 años después del descubrimiento del electrón, el muón fue descubierto por Carl D. Anderson en 1936. Debido a su masa, inicialmente se lo clasificó como un mesón en lugar de un leptón. ^[26] Más tarde se hizo evidente que el muón era mucho más similar al electrón que a los mesones, ya que los muones no experimentan la interacción fuerte , y por lo tanto el muón fue reclasificado: los electrones, los muones y el neutrino (electrón) se agruparon en un nuevo grupo de partículas: los leptones. En 1962, Leon M. Lederman , Melvin Schwartz y Jack Steinberger demostraron que existe más de un tipo de neutrino al detectar primero las interacciones del neutrino muónico , lo que les valió el Premio Nobel de 1988 , aunque para entonces ya se habían teorizado los diferentes sabores del neutrino. ^[27]

El neutrino tau fue detectado por primera vez en una serie de experimentos entre 1974 y 1977 por Martin Lewis Perl y sus colegas del grupo SLAC LBL . ^[28] Al igual que el electrón y el muón, también se esperaba que tuviera un neutrino asociado. La primera evidencia de los neutrinos tau provino de la observación de la energía y el momento "faltantes" en la desintegración tau, análoga a la energía y el momento "faltantes" en la desintegración beta que condujo al descubrimiento del neutrino electrónico. La primera detección de interacciones de neutrinos tau fue anunciada en 2000 por la colaboración DONUT en Fermilab , lo que la convirtió en la segunda partícula más reciente del Modelo Estándar en haber sido observada directamente, ^[29] con el bosón de Higgs descubierto en 2012.

Aunque todos los datos actuales son consistentes con tres generaciones de leptones, algunos físicos de partículas están buscando una cuarta generación. El límite inferior actual de la masa de un cuarto leptón cargado es100,8  GeV/ c ² , ^[30] mientras que su neutrino asociado tendría una masa de al menos45,0  GeV/ c2 . [ ^31]

Propiedades

Espín y quiralidad

Helicidades zurdas y diestras

Los leptones son espín 1/2⁠ partículas. El teorema de estadística de espín implica que son fermiones y, por lo tanto, que están sujetos al principio de exclusión de Pauli : no pueden existir dos leptones de la misma especie en el mismo estado al mismo tiempo. Además, significa que un leptón solo puede tener dos estados de espín posibles, es decir, arriba o abajo.

Una propiedad estrechamente relacionada es la quiralidad , que a su vez está estrechamente relacionada con una propiedad más fácilmente visualizable llamada helicidad . La helicidad de una partícula es la dirección de su espín en relación con su momento ; las partículas con espín en la misma dirección que su momento se denominan dextrógiras y, en caso contrario, zurdas . Cuando una partícula no tiene masa, la dirección de su momento en relación con su espín es la misma en todos los marcos de referencia, mientras que para las partículas masivas es posible "adelantar" a la partícula eligiendo un marco de referencia de movimiento más rápido ; en el marco más rápido, la helicidad se invierte. La quiralidad es una propiedad técnica, definida a través del comportamiento de transformación bajo el grupo de Poincaré , que no cambia con el marco de referencia. Está diseñada para que coincida con la helicidad para partículas sin masa, y sigue estando bien definida para partículas con masa.

En muchas teorías cuánticas de campos , como la electrodinámica cuántica y la cromodinámica cuántica , los fermiones zurdos y diestros son idénticos. Sin embargo, la interacción débil del Modelo Estándar trata a los fermiones zurdos y diestros de manera diferente: solo los fermiones zurdos (y los antifermiones diestros) participan en la interacción débil. Este es un ejemplo de violación de paridad escrita explícitamente en el modelo. En la literatura, los campos zurdos a menudo se denotan con un subíndice L mayúscula (por ejemplo, el electrón normal e^-
_El) y los campos diestros se denotan con un subíndice R mayúscula (por ejemplo, un positrón e⁺
_R).

Los neutrinos diestros y los antineutrinos zurdos no tienen interacción posible con otras partículas (véase Neutrino estéril ) y, por lo tanto, no son una parte funcional del Modelo Estándar, aunque su exclusión no es un requisito estricto; a veces se enumeran en las tablas de partículas para enfatizar que no tendrían un papel activo si se incluyeran en el modelo. Aunque las partículas diestras cargadas eléctricamente (electrón, muón o tau) no participan específicamente en la interacción débil, aún pueden interactuar eléctricamente y, por lo tanto, participar en la fuerza electrodébil combinada , aunque con diferentes intensidades ( Y W ).

Interacción electromagnética

Interacción leptón-fotón

Una de las propiedades más destacadas de los leptones es su carga eléctrica , Q. La carga eléctrica determina la fuerza de sus interacciones electromagnéticas . Determina la fuerza del campo eléctrico generado por la partícula (véase la ley de Coulomb ) y la intensidad con la que la partícula reacciona a un campo eléctrico o magnético externo (véase la fuerza de Lorentz ). Cada generación contiene un leptón con Q = −1 e y un leptón con carga eléctrica cero. El leptón con carga eléctrica se denomina comúnmente simplemente leptón cargado, mientras que un leptón neutro se denomina neutrino . Por ejemplo, la primera generación consta del electrón
mi⁻
con una carga eléctrica negativa y el neutrino electrónico eléctricamente neutro
no
_mi.

En el lenguaje de la teoría cuántica de campos, la interacción electromagnética de los leptones cargados se expresa por el hecho de que las partículas interactúan con el cuanto del campo electromagnético, el fotón . El diagrama de Feynman de la interacción electrón-fotón se muestra a la derecha.

Debido a que los leptones poseen una rotación intrínseca en forma de su espín, los leptones cargados generan un campo magnético. El tamaño de su momento dipolar magnético μ está dado por

${\displaystyle \mu =g\,{\frac {\;Q\hbar \;}{4m}}\ ,}$

donde m es la masa del leptón y g es el llamado " factor g  " para el leptón. La aproximación mecánica cuántica de primer orden predice que el factor g  es 2 para todos los leptones. Sin embargo, los efectos cuánticos de orden superior causados ​​por bucles en los diagramas de Feynman introducen correcciones a este valor. Estas correcciones, conocidas como el momento dipolar magnético anómalo , son muy sensibles a los detalles de un modelo de teoría cuántica de campos, y por lo tanto brindan la oportunidad de realizar pruebas de precisión del Modelo Estándar. Los valores teóricos y medidos para el momento dipolar magnético anómalo del electrón concuerdan dentro de ocho cifras significativas. ^[32] Los resultados para el muón , sin embargo, son problemáticos , lo que sugiere una pequeña discrepancia persistente entre el Modelo Estándar y el experimento.

Interacción débil

En el Modelo Estándar, el leptón cargado zurdo y el neutrino zurdo están dispuestos en doblete. que se transforma en la representación del espinor ( T = ⁠ 1 /2) de la simetría de calibración SU(2) del isospín débil . Esto significa que estas partículas son estados propios de la proyección del isospín T ₃ con valores propios ⁠++ 1 /2⁠ y ⁠−+ 1 /2⁠ respectivamente. Mientras tanto, el leptón cargado dextrógiro se transforma en un escalar isospín débil ( T = 0 ) y, por lo tanto, no participa en la interacción débil , mientras que no hay evidencia de que exista un neutrino dextrógiro en absoluto.

El mecanismo de Higgs recombina los campos de calibración de las simetrías de isospín débil SU(2) y de hipercarga débil U(1) en tres bosones vectoriales masivos (
Yo⁺
,
Yo⁻
,
O⁰
) que media la interacción débil , y un bosón vectorial sin masa, el fotón (γ), responsable de la interacción electromagnética. La carga eléctrica Q se puede calcular a partir de la proyección de isospín T ₃ y la hipercarga débil Y _W mediante la fórmula de Gell-Mann–Nishijima ,

Q = T ₃ + ⁠ 1 /2⁠ Y _W .

Para recuperar las cargas eléctricas observadas para todas las partículas, se utiliza el doblete isospín débil zurdo (ν _eL , e^-
_El) debe tener Y _W = −1 , mientras que el escalar de isospín diestro e^-
_RDebe tener Y _W = −2 . La interacción de los leptones con los bosones masivos del vector de interacción débil se muestra en la figura de la derecha.

Masa

En el Modelo Estándar , cada leptón comienza sin masa intrínseca. Los leptones cargados (es decir, el electrón, el muón y el tau) obtienen una masa efectiva a través de la interacción con el campo de Higgs , pero los neutrinos permanecen sin masa. Por razones técnicas, la falta de masa de los neutrinos implica que no hay mezcla de las diferentes generaciones de leptones cargados como ocurre con los quarks . La masa cero del neutrino concuerda estrechamente con las observaciones experimentales directas actuales de la masa. ^[33]

Sin embargo, se sabe a partir de experimentos indirectos (sobre todo a partir de oscilaciones de neutrinos observadas ^[34] ) que los neutrinos deben tener una masa distinta de cero, probablemente menor que2  eV/ c ² . ^[35] Esto implica la existencia de física más allá del Modelo Estándar . La extensión más favorecida actualmente es el llamado mecanismo de balancín , que explicaría tanto por qué los neutrinos zurdos son tan ligeros en comparación con los leptones cargados correspondientes, como por qué aún no hemos visto ningún neutrino diestro.

Números cuánticos con sabor a leptones

A los miembros del doblete de isospín débil de cada generación se les asignan números leptónicos que se conservan bajo el Modelo Estándar. ^[36] Los electrones y los neutrinos electrónicos tienen un número electrónico de L _e = 1 , mientras que los muones y los neutrinos muónicos tienen un número muónico de L _μ = 1 , mientras que las partículas tau y los neutrinos tau tienen un número tauónico de L _τ = 1 . Los antileptones tienen los números leptónicos de sus respectivas generaciones de −1.

La conservación de los números leptónicos significa que el número de leptones del mismo tipo permanece constante cuando las partículas interactúan. Esto implica que los leptones y antileptones deben crearse en pares de una sola generación. Por ejemplo, los siguientes procesos están permitidos bajo la conservación de los números leptónicos:

Cada generación forma un doblete de isospín débil .

gamma
   →   mi−+mi+,

O0  →   τ−+τ+,

pero ninguno de estos:

gamma
     →   mi−+
micras⁺
,

Yo−  →   mi−+noτ,

O0    →  
micras⁻
+τ+.

Sin embargo, se sabe que las oscilaciones de neutrinos violan la conservación de los números leptónicos individuales. Se considera que dicha violación es una prueba irrefutable de que la física está más allá del Modelo Estándar . Una ley de conservación mucho más fuerte es la conservación del número total de leptones ( L sin subíndice ), que se conserva incluso en el caso de las oscilaciones de neutrinos, pero que aún así es violada en una cantidad minúscula por la anomalía quiral .

Universalidad

El acoplamiento de leptones a todos los tipos de bosones de calibre es independiente del sabor: la interacción entre leptones y un bosón de calibre mide lo mismo para cada leptón. ^[36] Esta propiedad se llama universalidad leptónica y se ha probado en mediciones de las vidas medias de muones y tau y deOAnchos de desintegración parcial de bosones , particularmente en los experimentos del Colisionador Lineal de Stanford (SLC) y del Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP). ^{[37] : 241–243  [38] : 138}

La tasa de desintegración ( ) de los muones a través del proceso ${\displaystyle \Gamma }$
micras⁻
→mi−+nomi+
no
_micrasse da aproximadamente mediante una expresión de la forma (ver desintegración del muón para más detalles) ^[36]

${\displaystyle \Gamma \left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)\approx K_{2}\,G_{\text{F}}^{2}\,m_{\mu }^{5}~,}$

donde K ₂ es una constante y G _F es la constante de acoplamiento de Fermi . La tasa de desintegración de las partículas tau a través del procesoτ−→mi−+nomi+noτse da mediante una expresión de la misma forma ^[36]

${\displaystyle \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)\approx K_{3}\,G_{\text{F}}^{2}\,m_{\tau }^{5}~,}$

donde K ₃ es alguna otra constante. La universalidad muón-tauón implica que K ₂ ≈ K ₃ . Por otra parte, la universalidad electrón-muón implica ^[36]

${\displaystyle 0.9726\times \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)=\Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow \mu ^{-}+{\bar {\nu _{\mu }}}+\nu _{\tau }\right)~.}$

Las proporciones de ramificación para el modo electrónico (17,82 %) y el modo muónico (17,39 %) de desintegración de tau no son iguales debido a la diferencia de masa de los leptones del estado final. ^[21]

La universalidad también explica la relación entre la duración de la vida de los muones y los tau. La duración de la vida de un leptón (con = " μ " o " τ ") está relacionada con la tasa de desintegración por ^[36] ${\displaystyle \mathrm {T} _{\ell }}$ ${\displaystyle \ell }$ ${\displaystyle \ell }$

${\displaystyle \mathrm {T} _{\ell }={\frac {\;{\mathcal {B}}\left(\ell ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\ell }\right)\;}{\Gamma \left(\ell ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\ell }\right)}}\,}$,

donde denota las relaciones de ramificación y denota el ancho de resonancia del proceso con x e y reemplazados por dos partículas diferentes de " e " o " μ " o " τ ". ${\displaystyle \;{\mathcal {B}}(x\rightarrow y)\;}$ ${\displaystyle \;\Gamma (x\rightarrow y)\;}$ ${\displaystyle \;x\rightarrow y~,}$

La relación entre la vida útil de tau y muón viene dada por ^[36]

${\displaystyle {\frac {\,\mathrm {T} _{\tau }\,}{\mathrm {T} _{\mu }}}={\frac {\;{\mathcal {B}}\left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)\;}{{\mathcal {B}}\left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)}}\,\left({\frac {m_{\mu }}{m_{\tau }}}\right)^{5}~.}$

Usando valores de la Revisión de Física de Partículas de 2008 para las razones de ramificación del muón ^[19] y tau ^[21] se obtiene una razón de vida de ~ 1,29 × 10 ⁻⁷ , comparable a la relación de vida útil medida de ~ 1,32 × 10 ⁻⁷ . La diferencia se debe a que K ₂ y K ₃ en realidad no son constantes: dependen ligeramente de la masa de los leptones involucrados.

Pruebas recientes de universalidad de los leptones en
B
Las desintegraciones de mesones , realizadas por los experimentos LHCb , BaBar y Belle , han mostrado desviaciones consistentes respecto de las predicciones del Modelo Estándar. Sin embargo, la significancia estadística y sistemática combinada aún no es lo suficientemente alta como para afirmar que se trata de una observación de nueva física . ^[39]

En julio de 2021 se publicaron los resultados sobre la universalidad del sabor leptónico probando las desintegraciones de W; las mediciones anteriores del LEP habían dado un ligero desequilibrio, pero la nueva medición de la colaboración ATLAS tiene el doble de precisión y da una relación de , que concuerda con la predicción del modelo estándar de la unidad. ^{[40] [41] [42]} En 2024, una preimpresión de la colaboración ATLAS publicó un nuevo valor de la relación más precisa hasta el momento probando la universalidad del sabor leptónico. ^{[43] [44]} ${\displaystyle R_{W}^{\tau /\mu }={\mathcal {B}}(W\rightarrow \tau \nu _{\tau })/{\mathcal {B}}(W\rightarrow \mu \nu _{\mu })=0.992\pm 0.013}$ ${\displaystyle R_{W}^{\mu /e}={\mathcal {B}}(W\rightarrow \mu \nu _{\mu })/{\mathcal {B}}(W\rightarrow e\nu _{e})=0.9995\pm 0.0045}$

Tabla de leptones

Véase también

• Fórmula de Koide
• Lista de partículas
• Preones : partículas hipotéticas que alguna vez se postuló que eran subcomponentes de los quarks y los leptones.

Notas

Referencias

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Enlaces externos

• "Página de inicio del Grupo de Datos de Partículas".– El PDG recopila información fidedigna sobre las propiedades de las partículas.
• "Leptones". Física y Astronomía. Universidad Estatal de Georgia. Hiperfísica .– un resumen de los leptones.