Семейство лептонов

В настоящее время элементарные частицы делятся на большие классы и подклассы в зависимости от типов фундаментальных взаимодействий, в которых эти частицы участвуют. Первоначально классификация элементарных частиц осуществлялась по их массе, что и получило отражение в названиях типов частиц (лептоны — легкие, мезоны — средние, барионы — тяжелые, адроны — крупные).

Открытый (1975) τ -лептон оказался почти в 2 раза тяжелее протона, а промежуточные векторные бозоны (1983) — почти в 100 раз тяжелее протона. Поэтому первоначальное распределение элементарных частиц по массе потеряло свой смысл, отражая лишь становление физики элементарных частиц. Например, при классификации элементарных частиц в данное время не важно, что «тяжелая» частица протон [относится к группе адронов, см. п.4] почти в два раза легче «легкого» τ -лептона (относится к группе лептонов). Подчеркнем еще раз, что в основу классификации элементарных частиц положено не распределение их по массе, а распределение по типам фундаментальных взаимодействий.

Лептоны — класс элементарных частиц, не участвующих в сильном взаимодействии. Все лептоны имеют спин 1/2 (в единицах ħ), т. е. являются фермионами. Как уже указывалось выше, такое название они получили потому, что до открытия τ -лептона они были самыми легкими из элементарных частиц.

Элементарные частицы, входящие в семейство лептонов, их обозначения и основные характеристики приведены в табл. 2.

Как следует из таблицы, общее число лептонов невелико — их всего шесть. Три заряженных лептона (e^-, μ^-, τ^-) участвуют в электромагнитном и слабом взаимодействиях и каждому из них соответствует нейтральная частица — нейтрино (v_e, v _μ, v_τ), участвующая только в слабом взаимодействии. Все лептоны, кроме мюона и тау-лептона, являются стабильными частицами. Таким образом, можно говорить о трех семействах лептонов: электронный (е^-, v_e), мюонный (μ^-, v_μ) и таонный (τ ^-, v_τ) дуплеты. Каждому их них соответствует дуплет антилептонов: (е⁺, ), (μ ⁺, ), (τ ⁺, ), где , и — соответственно электронное, мюонное и таенное антинейтрино.

Таблица 2.

Для выделения лептонов, как группы элементарных частиц, им приписывают лептонный заряд (лептонное число) L. Для лептонов L = 1, для антилептонов L = -1, для всех остальных элементарных частиц L = 0. Таким образом, антинейтрино отличается от нейтрино лептонным зарядом, подобно тому, как позитрон и электрон отличаются знаками электрического заряда (кстати, и лептонного тоже).

При всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц лептонный заряд сохраняется, в этом заключается закон сохранения лептонного заряда. Лептонный заряд не связан ни с какими полями, а просто является средством учета количества лептонов в реакциях.

Например, для реакции:

, (3)

выполняется закон сохранения лептонного заряда (0 = 0 + 1 - 1).

Следствием закона сохранения лептонного числа является то, что в реакции (3) вылетает антинейтрино, а при распаде — нейтрино. Так как у электрона и нейтрино L = +1, а у позитрона и антинейтрино L = -1, то закон сохранения лептонного числа выполняется лишь при условии, что возникает вместе с электроном, a - с позитроном.

Для реакций распада мюона и τ -лептона

,

также выполняется закон сохранения лептонного заряда:

(1 = 1 - 1 + 1);

(1 = 1 - 1 + 1).

Семейство лептонов в настоящее время считают истинно элементарными (фундаментальными) частицами, поскольку эксперименты, включая столкновения в ускорителях частиц с огромнейшими энергиями, говорят о лептонах как о неделимых частицах.