ΤΙ ΕΊΝΑΙ ΤΑ ΛΕΠΤΌΝΙΑ;

Send

Κατά τη διάρκεια του 19ου και του 20ού αιώνα, οι φυσικοί άρχισαν να ερευνούν βαθιά τη φύση της ύλης και της ενέργειας. Με αυτόν τον τρόπο, συνειδητοποίησαν γρήγορα ότι οι κανόνες που τους διέπουν γίνονται όλο και πιο θολωτοί όσο πιο βαθιά πηγαίνει. Ενώ η κυρίαρχη θεωρία ήταν ότι όλη η ύλη αποτελείται από αδιαίρετα άτομα, οι επιστήμονες άρχισαν να συνειδητοποιούν ότι τα άτομα αποτελούνται από ακόμη μικρότερα σωματίδια.

Από αυτές τις έρευνες, γεννήθηκε το πρότυπο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, όλη η ύλη στο Σύμπαν αποτελείται από δύο είδη σωματιδίων: τα αδρονόνια - από τα οποία το Large Hadron Collider (LHC) παίρνει το όνομά του - και τα λεπτόνια. Όπου τα αδρόνια αποτελούνται από άλλα στοιχειώδη σωματίδια (κουάρκ, αντι-κουάρκ κ.λπ.), τα λεπτόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια που υπάρχουν μόνα τους.

Ορισμός:

Η λέξη lepton προέρχεται από τα ελληνικά λέπτες, που σημαίνει "μικρό", "ωραίο" ή "λεπτό". Η πρώτη καταγεγραμμένη χρήση της λέξης έγινε από τον φυσικό Leon Rosenfeld στο βιβλίο τουΠυρηνικές δυνάμεις (1948). Στο βιβλίο, αποδίδει τη χρήση της λέξης σε μια πρόταση του δανικού χημικού και φυσικού καθηγητή Christian Moller.

Ο όρος επιλέχθηκε για να αναφέρεται σε σωματίδια μικρής μάζας, καθώς τα μόνα γνωστά λεπτόνια στην εποχή του Ρόζενφελντ ήταν μιόνια. Αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια έχουν πάνω από 200 φορές μεγαλύτερη μάζα από τα ηλεκτρόνια, αλλά έχουν μόνο το ένα ένατο της μάζας ενός πρωτονίου. Μαζί με τα κουάρκ, τα λεπτόνια είναι τα βασικά δομικά στοιχεία της ύλης και ως εκ τούτου θεωρούνται «στοιχειώδη σωματίδια».

Τύποι Λετονών:

Σύμφωνα με το πρότυπο μοντέλο, υπάρχουν έξι διαφορετικοί τύποι λεπτονίων. Σε αυτά περιλαμβάνονται τα σωματίδια Ηλεκτρονίου, Muon και Tau, καθώς και τα συσχετιζόμενα νετρίνα τους (δηλ. Νετρίνο ηλεκτρονίων, νετρίνο μιόνιου και ουδετερόνη tau). Τα λεμόνια έχουν αρνητικό φορτίο και ξεχωριστή μάζα, ενώ τα νετρίνα τους έχουν ουδέτερο φορτίο.

Τα ηλεκτρόνια είναι τα ελαφρύτερα, με μάζα 0,000511 gigaelectronvolts (GeV), ενώ τα Muons έχουν μάζα 0,1066 Gev και τα σωματίδια Tau (τα βαρύτερα) έχουν μάζα 1,777 Gev. Οι διαφορετικές ποικιλίες των στοιχειωδών σωματιδίων ονομάζονται συνήθως «γεύσεις». Ενώ καθεμία από τις τρεις γεύσεις λεπτονίου είναι διαφορετικές και διακριτές (όσον αφορά τις αλληλεπιδράσεις τους με άλλα σωματίδια), δεν είναι αμετάβλητες.

Ένα νετρίνο μπορεί να αλλάξει τη γεύση του, μια διαδικασία που είναι γνωστή ως «ταλάντωση γεύσης νετρίνων». Αυτό μπορεί να λάβει διάφορες μορφές, οι οποίες περιλαμβάνουν ηλιακά νετρίνα, ατμοσφαιρικό νετρίνο, πυρηνικό αντιδραστήρα ή ταλαντώσεις δέσμης. Σε όλες τις παρατηρούμενες περιπτώσεις, οι ταλαντώσεις επιβεβαιώθηκαν από αυτό που φαίνεται να είναι έλλειμμα στον αριθμό των νετρίνων που δημιουργούνται.

Μια παρατηρούμενη αιτία έχει να κάνει με τη «διάσπαση muon» (βλ. Παρακάτω), μια διαδικασία όπου τα μιόνια αλλάζουν τη γεύση τους σε νετρίνα ηλεκτρονίων ή νετρίνα ταυ - ανάλογα με τις περιστάσεις. Επιπλέον, και τα τρία λεπτόνια και τα νετρίνα τους έχουν ένα συσχετιζόμενο αντισωματίδιο (antilepton).

Για καθένα, τα αντιπεπτόνια έχουν την ίδια μάζα, αλλά όλες οι άλλες ιδιότητες αντιστρέφονται. Αυτά τα ζευγάρια αποτελούνται από το ηλεκτρόνιο / ποζιτρόνιο, το μιόνιο / το αντιμόνιο, το tau / antitau, το νετρίνο ηλεκτρονίων / το αντινετρίνιο ηλεκτρονίων, το νετρίνο μουν / το αντινετουτρίνο μουν και το ουδετερορίνο tau.

Το παρόν Πρότυπο Μοντέλο προϋποθέτει ότι δεν υπάρχουν περισσότεροι από τρεις τύποι (γνωστές και ως «γενιές») λεπτονίων με τα σχετικά νετρίνα τους. Αυτό συμφωνεί με πειραματικά στοιχεία που προσπαθούν να μοντελοποιήσουν τη διαδικασία της νουκλεοσύνθεσης μετά το Big Bang, όπου η ύπαρξη περισσότερων από τριών λεπτονίων θα επηρέαζε την αφθονία του ηλίου στο πρώιμο Σύμπαν.

Ιδιότητες:

Όλα τα λεπτόνια έχουν αρνητικό φορτίο. Έχουν επίσης μια εγγενή περιστροφή με τη μορφή περιστροφής τους, πράγμα που σημαίνει ότι ηλεκτρόνια με ηλεκτρικό φορτίο - δηλαδή "φορτισμένα λεπτόνια" - θα δημιουργήσουν μαγνητικά πεδία. Είναι σε θέση να αλληλεπιδράσουν με άλλες ύλες μόνο με αδύναμες ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις. Τελικά, το φορτίο τους καθορίζει την ισχύ αυτών των αλληλεπιδράσεων, καθώς και την ισχύ του ηλεκτρικού τους πεδίου και τον τρόπο με τον οποίο αντιδρούν σε εξωτερικά ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία.

Κανένας όμως δεν μπορεί να αλληλεπιδράσει με την ύλη μέσω ισχυρών δυνάμεων, ωστόσο. Στο πρότυπο μοντέλο, κάθε λεπτό ξεκινά χωρίς εγγενή μάζα. Τα φορτισμένα λεπτόνια επιτυγχάνουν αποτελεσματική μάζα μέσω αλληλεπιδράσεων με το πεδίο Higgs, ενώ τα νετρίνα είτε παραμένουν μαζικά είτε έχουν πολύ μικρές μάζες.

Ιστορία της μελέτης:

Το πρώτο λεπτόνιο που αναγνωρίστηκε ήταν το ηλεκτρόνιο, το οποίο ανακαλύφθηκε από τον Βρετανό φυσικό J.J. Ο Thomson και οι συνάδελφοί του το 1897 χρησιμοποίησαν μια σειρά πειραμάτων καθοδικών σωλήνων. Οι επόμενες ανακαλύψεις ήρθαν κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1930, η οποία θα οδηγούσε στη δημιουργία μιας νέας ταξινόμησης για σωματίδια ασθενώς αλληλεπιδρώντας που ήταν παρόμοια με τα ηλεκτρόνια.

Η πρώτη ανακάλυψη έγινε από τον Αυστριακό-Ελβετό φυσικό Wolfgang Pauli το 1930, ο οποίος πρότεινε την ύπαρξη του νετρονίου ηλεκτρονίων για να επιλύσει τους τρόπους με τους οποίους η beta αποσύνθεση έρχεται σε αντίθεση με το νόμο περί διατήρησης της ενέργειας και τους νόμους της κίνησης του Newton (συγκεκριμένα η Conservation of Ορμή και διατήρηση της γωνιακής ορμής).

Το ποζιτρόνιο και το μόνιο ανακαλύφθηκαν από τον Carl D. Anders το 1932 και το 1936, αντίστοιχα. Λόγω της μάζας του μιόνου, αρχικά θεωρήθηκε λάθος για ένα μεσόνιο. Αλλά λόγω της συμπεριφοράς του (που μοιάζει με εκείνη ενός ηλεκτρονίου) και του γεγονότος ότι δεν υποβλήθηκε σε ισχυρή αλληλεπίδραση, το μόνιο επαναταξινομήθηκε. Μαζί με το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο ηλεκτρονίων, έγινε μέρος μιας νέας ομάδας σωματιδίων γνωστή ως «λεπτόνια».

Το 1962, μια ομάδα Αμερικανών φυσικών - αποτελούμενη από τους Leon M. Lederman, Melvin Schwartz και Jack Steinberger - κατάφεραν να ανιχνεύσουν αλληλεπιδράσεις από το νετρίνο μιόνιου, δείχνοντας έτσι ότι υπήρχαν περισσότεροι από ένας τύποι νετρίνων. Ταυτόχρονα, οι θεωρητικοί φυσικοί υποστήριξαν την ύπαρξη πολλών άλλων γεύσεων νετρίνων, οι οποίες τελικά θα επιβεβαιωθούν πειραματικά.

Το σωματίδιο tau ακολούθησε τη δεκαετία του 1970, χάρη σε πειράματα που διεξήχθησαν από τον βραβευμένο με Νόμπελ φυσικό Martin Lewis Perl και τους συναδέλφους του στο SLAC National Accelerator Laboratory. Ακολούθησαν αποδείξεις για το συσχετιζόμενο νετρίνο χάρη στη μελέτη της τερηδόνας tau, η οποία έδειξε έλλειψη ενέργειας και ορμή ανάλογη με τη χαμένη ενέργεια και ορμή που προκλήθηκε από τη βήτα αποσύνθεση των ηλεκτρονίων.

Το 2000, το tau neutrino παρατηρήθηκε άμεσα χάρη στην Άμεση Παρατήρηση του πειράματος NU Tau (DONUT) στο Fermilab. Αυτό θα ήταν το τελευταίο σωματίδιο του Standard Model που θα παρατηρηθεί έως το 2012, όταν το CERN ανακοίνωσε ότι είχε εντοπίσει ένα σωματίδιο που ήταν πιθανότατα το πολυαναμενόμενο Higgs Boson.

Σήμερα, υπάρχουν μερικοί φυσικοί σωματιδίων που πιστεύουν ότι υπάρχουν ακόμη λεπτόνια που περιμένουν να βρεθούν. Αυτά τα σωματίδια «τέταρτης γενιάς», εάν είναι πραγματικά αληθινά, θα υπήρχαν πέρα από το πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων και πιθανότατα θα αλληλεπιδρούσαν με την ύλη με ακόμη πιο εξωτικούς τρόπους.

Έχουμε γράψει πολλά ενδιαφέροντα άρθρα για τα Λεπτόνια και τα υποατομικά σωματίδια εδώ στο Space Magazine. Εδώ είναι τι είναι τα υποατομικά σωματίδια ;, Τι είναι τα βαρυόνια ;, Πρώτες συγκρούσεις του LHC, Βρέθηκαν δύο νέα υποατομικά σωματίδια και οι φυσικοί ίσως, απλά ίσως, επιβεβαιώσουν την πιθανή ανακάλυψη της 5ης δύναμης της φύσης.

Για περισσότερες πληροφορίες, το Κέντρο Εικονικών Επισκεπτών της SLAC έχει μια καλή εισαγωγή στα Leptons και φροντίστε να ελέγξετε την Ανασκόπηση Particle Data Group (PDG) της Particle Physics.

Το Astronomy Cast έχει επίσης επεισόδια στο θέμα. Εδώ είναι το επεισόδιο 106: Η αναζήτηση για τη θεωρία των πάντων και το επεισόδιο 393: Το πρότυπο μοντέλο - Λεπτόνια και κουάρκ.

Πηγές: