En física de partícula, un leptón é unha partícula elemental de spin medio enteiro (spin 1⁄2) que non experimenta interacción forte. Existen dúas clases principais de leptóns, leptóns con carga, e leptóns neutros (coñecidos como neutrinos). Os leptóns con carga poden combinarse con outras partículas para formar diversas partículas compostas como átomos e positronio, mentres os neutrinos é moi débil e polo tanto difícil de observar. O leptón máis coñecido é o electrón.
Hai seis tipos de leptóns, coñecidos como sabores, agrupados en tres xeracións. A primeira xeración leptónica (tamén chamada leptóns electrónicos, comprenden o electrón (e−) e o neutrino electrónico (νe); a segundo son os leptóns muónicos, comprendendo o muón (μ−) e o neutrino muónico (νμ); e a terceira son os leptóns tauónicos, comprendendo o tau (τ−) e o neutrino tauónico (ντ). Os electróns teñen a menor masa de todos os leptóns cargados. O máis pesados muóns tauónicos poden cambiar rápido a electróns e neutrinos por un proceso de decaemento: a transformación desde un estado de masa máis alto a un estado de masa máis baixo. Os electróns son estábeis e os leptóns cargados máis comúns no universo, mentres que muóns e taus só poden ser producidos en colisións de alta enerxía (como as que implican raios cósmicos e as levadas a cabo en aceleradores de partículas).
Os leptóns teñen variadas propiedades intrínsecas, incluíndo carga eléctrica, spin, e masa. A diferenza dos quarks, non sofren a interacción forte, pero están suxeitos ás outras tres interaccións fundamentais: gravitación, interacción débil, e electromagnetismo, sendo esta última proporcional á carga, e polo tanto cero para os electricamente neutros neutrinos.
Para cada sabor leptónico, hai un tipo correspondente de antipartícula, coñecida como antileptón, que difire do leptón só en que algunhas das súas propiedades teñen igual magnitude pero con signo oposto. Segundo algunhas teorías, os neutrinos poderían ser as súas propias antipartículas, estando na actualidade sen confirmar.
O primeiro leptón cargado, o electrón, foi teorizado a metade do século XIX por varios científicos e foi descuberto en 1897 por J. J. Thomson. O seguinte leptón en ser observado foi o muón, descuberto por Carl D. Anderson en 1936, e foi clasificado naquel tempo como mesón. Despois de ser investigado, viuse que o muón non tiña as propiedades esperadas dun mesón, senón que se comportaba como un electrón, só que con masa maior. Até 1947 non se propuxo o concepto de "leptóns" como familia de partículas. O primeiro neutrino, o neutrino electrónico, foi proposto por Wolfgang Pauli en 1930 para explicar algunhas características do decaemento beta. O primeiro neutrino foi observado no Cowan–Reines neutrino experiment, dirixido por Clyde Cowan e Frederick Reines en 1956. O neutrino muónico foi descuberto en 1962 por Leon M. Lederman, Melvin Schwartz, e Jack Steinberger, e o tau, entre 1974 e 1977 por Martin Lewis Perl e os seus colegas no SLAC e o Lawrence Berkeley Laboratorio Nacional. O neutrino tauónico eludiu o seu descubrimento até xullo do 2000, cando a colaboración DONUT anunciou o seu descubrimento no Fermilab.
Os leptóns son unha parte importante do Modelo Estándar. Os electróns son un dos compoñentes dos átomos, xunto con protóns e neutróns. Tamén poden ser sintetizados átomos exóticos con muóns e taus en vez dos electróns, así como partículas leptón–antileptón partículas como o positronio.
Etimoloxía O nome leptón vén do grego λεπτός -"leptós", fino, pequeno, delgado- (neutro nominativo/acusativo singular: leptón); a forma comprobada máis temperá da palabra é o e o grego micénico , re-po-to, escrito en simboloxía silábica Lineal B."lepton". Online Etymology Dictionary. Lepton foi primeiro usado por físico Léon Rosenfeld en 1948:L. Rosenfeld (1948)Seguindo unha suxestión do Prof. C. Møller, adopto—de xeito semellante a "nucleón"—a denominación "leptón" (de λεπτός, pequeno, delgado, delicado) para denotar unha partícula de masa pequena.A etimoloxía implica de xeito incorrecto que todo leptón é de masa pequena. Cando Rosenfeld lles deu nome, os únicos leptóns coñecidos eran electróns e muóns, cuxas masas son de feito pequeno comparado cos nucleóns—a masa dun electrón (0,511 MeV/c2) e a masa dun muón (cun valor de 105,7 MeV/c2) son fraccións da masa do máis "pesado" protón (938,3 MeV/c2).C. Amsler et al. (2008): Particle listings—C. Amsler et al. (2008): Particle listings—C. Amsler et al. (2008): Particle listings— Con todo, a masa do tau (descuberto a mediados dos 1970) (1777 MeV/c2) é case dúas veces a do protón e sobre 3500 veces a do electrón.
Historia esquerda|miniatura|200x200px|Un muón muta a un neutrino muónico por emisión dun bosón W−. O W− decae logo a un electrón e un neutrino electrónico. +Nomenclatura leptónicaNome da partículaNome da antipartículaElectrónAntielectron PositronNeutrino electrónicoAnti neutrino electrónicoMuón Leptón mu
MuAntimuónNeutrino muónicoAntineutrino muónicoTauóon Leptón tau
TauAntitauónNeutrino tauónicoAntineutrino tauónico O primeiro leptón identificado foi o electrón, descuberto por J.J. Thomson e o seu equipo de físicos en 1897.S. Weinberg (2003)R. Wilson (1997) No 1930, Wolfgang Pauli postulou o 'electrón neutrino' para preservar conservación de enerxía, conservación da cantidade de movemento, e conservación do momento angular no decaemento beta.K. Riesselmann (2007) Pauli teorizou que unha partícula non detectada levábase a diferenza entre a enerxía, cantidade de movemento e momento angular das partículas iniciais e finais observadas. O electrón neutrino foi chamado sinxelamente neutrino, sen coñecer aínda que existían diferentes neutrinos (ou xeracións "diferentes").
Case 40 anos tras o descubrimento do electrón, foi descuberto o muón por Carl D. Anderson en 1936. Debido á súa masa, foi inicialmente categorizado como mesón.S. H. Neddermeyer, C. D. Anderson (1937) Máis tarde foi claro que o muón era moito máis semellante ao electrón que ós mesóns, pois non experimenta a interacción forte, e por isto o muón foi reclasificado: electróns, muóns, e o neutrino electrónico foron agrupados nun grupo novo de partículas—os leptóns. En 1962, Leon M. Lederman, Melvin Schwartz, e Jack Steinberger amosaron que existe máis que un tipo de neutrinos, coa primeira detección do neutrino muónico, o que lles valeu o Premio Nobel en 1988, aínda que por entón xa se teorizaran os diferentes sabores de neutrinos.I. V. Anicin (2005)
O tau foi primeiro detectado nunha serie de experimentos entre 1974 e 1977 por Martin Lewis Perl cos seus colegas no grupo LBL do SLAC.M. L. Perl et al. (1975) Como o electrón e o muón, tamén se esperou para ter un neutrino asociado. A primeira evidencia para os neutrinos tau veu da observación da "perda" de enerxía e momento no decaemento tau, análogo ó sucedido no decaemento beta que levou ó descubrimento do neutrino electrónico. A primeira detección das interaccións do neutrino tau foi anunciada en 2000 pola colaboración DONUT en Fermilab, facéndoo a partícula máis tardía en ser observada do Modelo Estándar, a parte do bosón Higgs, o cal foi descuberto en 2012.K. Kodama (2001)
A pesar de que todos os datos actuais son consistentes con tres xeracións de leptóns, algúns físicos de partículas están buscando unha cuarta xeración. O límite máis baixo actual na masa de tal cuarto leptón cargado é 100,8 GeV/c2, mentres o seu neutrino asociado tería unha masa de polo menos 45,0 GeV/c2.C. Amsler et al. (2008) Heavy Charged Leptons SearchesC. Amsler et al. (2008) Searches for Heavy Neutral Leptons
Propiedades
Spin e quiralidade dereita|miniatura|Helicidades levóxira e destróxira Os leptóns son partículas de spin 1⁄2. Por iso, teorema que asigna unha estatística segundo o spin implica que son fermions e así que están suxeitos ao Principio de exclusión de Pauli: Non pode haber dous leptóns da mesma especie no mesmo estado. Ademais, significa que un leptón pode ter só dous posíbel estados de spin, arriba ou abaixo.
Unha propiedade estreitamente relacionada é a quiralidade, á súa vez é estreitamente relacionada a unha propiedade de visualización máis doada, a helicidade. A helicidade dunha partícula é a dirección do seu spin en relación ao seu momento; as partículas con spin na mesma dirección que o seu momento son chamadas destras e o teñen en sentido contrario son chamadas zurdas. Cando unha partícula non ten masa, a dirección do seu momento é independente en relación ao seu spin, mentres para partículas masivas é posíbel aplicarlle á partícula unha transformación de Lorentz mantendo a helicidade. a quiralidade é unha propiedade técnica (definida polo comportamento da súa transformación baixo o grupo de Poincaré) que está de acordo coa helicidade para as partículas sen masa (aproximadamente) e ben definida para partículas masivas.
En moitas teorías de campo cuánticas, como a electrodinámica cuántica e a cromodinámica cuántica, os fermións destróxiros e levóxiros son idénticos. Non obstante, a interacción débil do Modelo Estándar trata os fermións levóxiros e destróxiros como asimétricos: só os levóxiros (e os anti-fermions destróxiros) participan na interacción débil. Isto é un exemplo de violación da paridade explicitamente escrito no modelo. Na literatura, os campos levóxiros son a miúdo denotados por un L maiúsculo subscrito (así, o electrón: eL−) e os campos destróxiros son denotados por un R maiúsculo subscrito (así, o positrón eR+).
Os neutrinos destróxiros e levóxiros non teñen non interacción posíbel con outras partículas (neutrinos estériles) e polo tanto non son parte funcional do Modelo Estándar, a pesar de que a súa exclusión non é un requisito estrito; ás veces son listados en táboas de partículas para resaltar que non terían ningunha función activa se fosen incluídos no modelo. Aínda que as partícula electricamente cargadas (electrón, muón, tau) non están asociadas de xeito específico á interacción débil, aínda poden interactuar de xeito eléctrico, e por iso aínda participan na forza combinadao electrodébil, a pesar de que con intensidades diferentes (YW).
Interacción electromagnética dereita|miniatura|Interacción leptón-fotón Un das propiedades máis prominentes dos leptóns é a súa carga eléctrica, Q. A carga eléctrica determina a forza das súas interaccións electromagnéticas. Determina a forza do campo eléctrico xerado pola partícula (vía lei de Coulomb) e como de intenso reacciona a partícula cun campo eléctrico ou magnético externo (forza de Lorentz). Cada xeración contén un leptón con Q = −e (convención para expresar a carga da partícula en unidades da carga elemental) e un leptón con carga eléctrica cero. O leptón cargado é chamado en xeral así, mentres o leptón neutro é chamado neutrino. Por exemplo, a primeira xeración leptónica consiste dun electrón e− con carga eléctrica negativa e o electricamente neutro neutrino νe.
Na lingua da teoría de campo cuántico, a interacción electromagnética dos leptóns cargados é expresada polo feito de que as partículas interactúan co cuanto do campo electromagnético, o fotón. O esquema de Feynman da interacción electrón-fotón é amosada á beira.
A causa de que os leptóns posúen unha rotación intrínseca en forma de spin, os leptóns cargados xeran un campo magnético. O momento do seu dipolo magnético μ ven dado por