Número leptónico

Diferencia entre el número de leptones y antileptones

En física de partículas , el número leptónico (históricamente también llamado carga leptónica ) ^[1] es un número cuántico conservado que representa la diferencia entre el número de leptones y el número de antileptones en una reacción de partículas elementales. ^[2] El número leptónico es un número cuántico aditivo , por lo que su suma se conserva en las interacciones (a diferencia de los números cuánticos multiplicativos como la paridad, donde se conserva el producto). El número leptónico se define por donde ${\displaystyle L}$ $${\displaystyle L=n_{\ell }-n_{\overline {\ell }},}$$

• ${\displaystyle n_{\ell }\quad }$es el número de leptones y
• ${\displaystyle n_{\overline {\ell }}\quad }$es el número de antileptones .

El número leptónico se introdujo en 1953 para explicar la ausencia de reacciones como

no
+
norte
→
pag
+
mi⁻

en el experimento de neutrinos de Cowan-Reines , que en cambio observó

no
+
pag
→
norte
+
mi⁺
. ^[3]

Este proceso, la desintegración beta inversa , conserva el número leptónico, ya que el antineutrino entrante tiene un número leptónico de −1, mientras que el positrón saliente (antielectrón) también tiene un número leptónico de −1.

Conservación del sabor de los leptones

Además del número de leptones, los números de la familia de leptones se definen como ^[4]

${\displaystyle L_{\mathrm {e} }}$el número electrónico , para el electrón y el neutrino electrónico ;

${\displaystyle L_{\mathrm {\mu } }}$el número de muón, para el muón y el neutrino muónico ; y

${\displaystyle L_{\mathrm {\tau } }}$el número tau, para el tauón y el neutrino tau .

Ejemplos destacados de conservación del sabor leptónico son las desintegraciones de muones.

micras⁻
→mi−+nomi+
no
_micras

y

micras⁺
→mi++nomi+
no
_micras .

En estas reacciones de desintegración, la creación de un electrón va acompañada de la creación de un antineutrino electrónico , y la creación de un positrón va acompañada de la creación de un neutrino electrónico. Del mismo modo, la desintegración de un muón negativo da lugar a la creación de un neutrino muónico , mientras que la desintegración de un muón positivo da lugar a la creación de un antineutrino muónico . ^[5]

Finalmente, la desintegración débil de un leptón en un leptón de menor masa siempre da como resultado la producción de un par neutrino - antineutrino :

τ−→
micras⁻
+
no
_micras+noτ .

Un neutrino transporta el número leptónico del leptón pesado en descomposición (un tauón en este ejemplo, cuyo residuo débil es un neutrino tau ) y un antineutrino que cancela el número leptónico del leptón recién creado, más ligero, que reemplazó al original. (En este ejemplo, un antineutrino muónico con que cancela el del muón . ${\displaystyle L_{\mathrm {\mu } }=-1}$ ${\displaystyle L_{\mathrm {\mu } }=+1}$

Violaciones de las leyes de conservación del número leptónico

El sabor leptónico solo se conserva de manera aproximada y, en particular, no se conserva en la oscilación de neutrinos . ^[6] Sin embargo, tanto el número total de leptones como el sabor leptónico aún se conservan en el Modelo Estándar.

Numerosas búsquedas de física más allá del Modelo Estándar incorporan búsquedas de violación del número de leptones o del sabor de los leptones, como la desintegración hipotética ^[7]

micras⁻
→mi−+
gamma
.

Experimentos como MEGA y SINDRUM han buscado violaciones del número de leptones en desintegraciones de muones a electrones; MEG estableció el límite de ramificación actual en el orden 10 ⁻¹³ y planea reducirlo a 10 ⁻¹⁴ después de 2016. ^[8] Algunas teorías más allá del Modelo Estándar, como la supersimetría , predicen proporciones de ramificación de orden 10 ⁻¹² a 10 ⁻¹⁴ . ^[7] El experimento Mu2e , en construcción a partir de 2017, tiene una sensibilidad planificada de orden 10 ⁻¹⁷ . ^[9]

Debido a que la ley de conservación del número leptónico de hecho es violada por anomalías quirales , existen problemas para aplicar esta simetría universalmente en todas las escalas de energía. Sin embargo, el número cuántico B − L se conserva comúnmente en los modelos de la Teoría Unificada .

Si los neutrinos resultan ser fermiones de Majorana , ni los números de leptones individuales, ni el número de leptones total ni $${\displaystyle L\equiv L_{\mathrm {e} }+L_{\mathrm {\mu } }+L_{\mathrm {\tau } },}$$

B − L

se conservarían, por ejemplo, en la desintegración beta doble sin neutrinos , donde dos neutrinos que chocan de frente podrían en realidad aniquilarse, de forma similar a la colisión (nunca observada) de un neutrino y un antineutrino.

Convención de signos invertidos

Algunos autores prefieren utilizar números leptónicos que coincidan con los signos de las cargas de los leptones involucrados, siguiendo la convención en uso para el signo del isospín débil y el signo del número cuántico de extrañeza ( para los quarks ), los cuales convencionalmente tienen el signo, por lo demás arbitrario, del número cuántico coincidiendo con el signo de las cargas eléctricas de las partículas.

Al seguir la convención de signo de carga eléctrica, el número leptónico (mostrado con una barra aquí, para reducir la confusión) de un electrón , muón , tauón y cualquier neutrino cuenta como el número leptónico del positrón , antimuón , antitauón y cualquier antineutrino cuenta como Cuando se observa esta convención de signo invertido, el número bariónico no cambia, pero la diferencia B − L se reemplaza con una suma: B + L , cuyo valor numérico permanece sin cambios, ya que ${\displaystyle {\bar {L}}=-1;}$ ${\displaystyle {\bar {L}}=+1.}$

L = −L,

y

B + L = B − L.

Véase también

• Número bariónico

Referencias

1. Gribov, V.; Pontecorvo, B. (20 de enero de 1969). "Astronomía de neutrinos y carga leptónica". Physics Letters B . 28 (7): 493–496. Bibcode :1969PhLB...28..493G. doi :10.1016/0370-2693(69)90525-5. ISSN  0370-2693.
2. Griffiths, David J. (1987). Introducción a las partículas elementales . Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-60386-3;Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2002). Física moderna (4.ª ed.). WH Freeman. ISBN 978-0-7167-4345-3.
3. Konopinski, EJ; Mahmoud, HM (15 de noviembre de 1953). "La interacción universal de Fermi". Physical Review . 92 (4): 1045–1049. Código Bibliográfico :1953PhRv...92.1045K. doi :10.1103/physrev.92.1045.
4. Martin, Victoria J., Profesora (25 de febrero de 2008). Quarks y leptones, mesones y bariones (PDF) (notas de clase). Física 3. Vol. Lección 5. Universidad de Edimburgo. p. 2. Consultado el 23 de mayo de 2021 .{{cite report}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
5. Slansky, Richard; Raby, Stuart; Goldman, Terry; Garvey, Gerry (1997). Cooper, Necia Grant (ed.). "El neutrino oscilante: una introducción a las masas y la mezcla de neutrinos" (PDF) . Los Alamos Science . Laboratorio Nacional de Los Alamos . págs. 10–56 . Consultado el 23 de mayo de 2021 .
6. Fukuda, Y.; Hayakawa, T.; Ichihara, E.; Inoue, K.; Ishihara, K.; Ishino, H.; et al. (Colaboración Super-Kamiokande) (24 de agosto de 1998). "Evidencia de oscilación de neutrinos atmosféricos". Physical Review Letters . 81 (8): 1562–1567. arXiv : hep-ex/9807003 . Código Bibliográfico :1998PhRvL..81.1562F. doi :10.1103/PhysRevLett.81.1562. S2CID  7102535.
7. Adam, J.; Bai, X.; Baldini, AM; Baracchini, E.; Bemporad, C.; Boca, G.; et al. (MEG Collaboration) (21 de octubre de 2011). "Nuevo límite en la desintegración que viola el sabor leptónico de mu+ a e+ gamma". Physical Review Letters . 107 (17): 171801. arXiv : 1107.5547 . Código Bibliográfico :2011PhRvL.107q1801A. doi :10.1103/PhysRevLett.107.171801. PMID  22107507. S2CID  119278774.
8. Baldini, AM; et al. (Colaboración MEG) (mayo de 2016). "Búsqueda del sabor leptónico que viola la desintegración μ ⁺ → e ⁺ γ con el conjunto de datos completo del experimento MEG". arXiv : 1605.05081 [hep-ex].
9. Kwon, Diana (21 de abril de 2015). "Mu2e abre camino en un experimento que busca nueva física" (Comunicado de prensa). Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi . Consultado el 8 de diciembre de 2017 .