WAS SIND LEPTONEN?

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Während des 19. und 20. Jahrhunderts begannen die Physiker, tief in die Natur von Materie und Energie einzudringen. Dabei wurde ihnen schnell klar, dass die Regeln, die sie regeln, mit zunehmender Tiefe immer verschwommener werden. Während die vorherrschende Theorie war, dass alle Materie aus unteilbaren Atomen bestand, begannen die Wissenschaftler zu erkennen, dass Atome selbst aus noch kleineren Teilchen bestehen.

Aus diesen Untersuchungen wurde das Standardmodell der Teilchenphysik geboren. Nach diesem Modell besteht die gesamte Materie im Universum aus zwei Arten von Partikeln: Hadronen - nach denen der Large Hadron Collider (LHC) benannt ist - und Leptonen. Wo Hadronen aus anderen Elementarteilchen (Quarks, Anti-Quarks usw.) bestehen, sind Leptonen Elementarteilchen, die für sich existieren.

Definition:

Das Wort Lepton kommt aus dem Griechischen Leptos, was "klein", "fein" oder "dünn" bedeutet. Die erste Verwendung des Wortes wurde vom Physiker Leon Rosenfeld in seinem Buch aufgezeichnetNukleare Kräfte (1948). In dem Buch schrieb er die Verwendung des Wortes einem Vorschlag des dänischen Chemikers und Physikers Prof. Christian Moller zu.

Der Begriff wurde gewählt, um sich auf Partikel kleiner Masse zu beziehen, da die einzigen bekannten Leptonen zu Rosenfelds Zeiten Myonen waren. Diese Elementarteilchen sind über 200-mal massereicher als Elektronen, haben aber nur etwa ein Neuntel der Masse eines Protons. Leptonen sind neben Quarks die Grundbausteine der Materie und werden daher als „Elementarteilchen“ angesehen.

Arten von Leptonen:

Nach dem Standardmodell gibt es sechs verschiedene Arten von Leptonen. Diese umfassen die Elektronen-, Myon- und Tau-Teilchen sowie ihre assoziierten Neutrinos (d. H. Elektronenneutrino, Myonneutrino und Tau-Neutrino). Leptonen haben eine negative Ladung und eine ausgeprägte Masse, während ihre Neutrinos eine neutrale Ladung haben.

Elektronen sind mit einer Masse von 0,000511 Gigaelektronvolt (GeV) am leichtesten, während Myonen eine Masse von 0,1066 Gev und Tau-Teilchen (die schwersten) eine Masse von 1,777 Gev haben. Die verschiedenen Sorten der Elementarteilchen werden üblicherweise als "Aromen" bezeichnet. Während jeder der drei Lepton-Aromen unterschiedlich und unterschiedlich ist (in Bezug auf ihre Wechselwirkungen mit anderen Partikeln), sind sie nicht unveränderlich.

Ein Neutrino kann seinen Geschmack ändern, ein Prozess, der als „Neutrino-Geschmacksschwingung“ bekannt ist. Dies kann verschiedene Formen annehmen, darunter solares Neutrino, atmosphärisches Neutrino, Kernreaktor oder Strahlschwingungen. In allen beobachteten Fällen wurden die Schwingungen durch ein scheinbares Defizit in der Anzahl der erzeugten Neutrinos bestätigt.

Eine beobachtete Ursache hat mit dem „Myonenzerfall“ zu tun (siehe unten), einem Prozess, bei dem Myonen - je nach den Umständen - ihren Geschmack in Elektronenneutrinos oder Tau-Neutrinos ändern. Zusätzlich haben alle drei Leptonen und ihre Neutrinos ein assoziiertes Antiteilchen (Antilepton).

Für jedes haben die Antileptonen eine identische Masse, aber alle anderen Eigenschaften sind umgekehrt. Diese Paarungen bestehen aus Elektron / Positron, Myon / Antimuon, Tau / Antitau, Elektronenneutrino / Elektronenantineutrino, Myonneutrino / Muan-Antinetrino und Tau-Neutrino / Tau-Antineutrino.

Das vorliegende Standardmodell geht davon aus, dass es nicht mehr als drei Arten (auch als "Generationen" bezeichnet) von Leptonen mit den dazugehörigen Neutrinos gibt. Dies stimmt mit experimentellen Beweisen überein, die versuchen, den Prozess der Nukleosynthese nach dem Urknall zu modellieren, bei dem die Existenz von mehr als drei Leptonen die Häufigkeit von Helium im frühen Universum beeinflusst hätte.

Eigenschaften:

Alle Leptonen besitzen eine negative Ladung. Sie besitzen auch eine intrinsische Rotation in Form ihres Spins, was bedeutet, dass Elektronen mit einer elektrischen Ladung - d. H. "Geladene Leptonen" - Magnetfelder erzeugen. Sie können nur durch schwache elektromagnetische Kräfte mit anderer Materie interagieren. Letztendlich bestimmt ihre Ladung die Stärke dieser Wechselwirkungen sowie die Stärke ihres elektrischen Feldes und wie sie auf externe elektrische oder magnetische Felder reagieren.

Keiner ist jedoch in der Lage, über starke Kräfte mit Materie zu interagieren. Im Standardmodell beginnt jedes Lepton ohne Eigenmasse. Geladene Leptonen erhalten durch Wechselwirkungen mit dem Higgs-Feld eine effektive Masse, während Neutrinos entweder masselos bleiben oder nur sehr kleine Massen aufweisen.

Studiengeschichte:

Das erste identifizierte Lepton war das Elektron, das der britische Physiker J.J. Thomson und seine Kollegen verwendeten 1897 eine Reihe von Experimenten mit Kathodenstrahlröhren. Die nächsten Entdeckungen kamen in den 1930er Jahren, was zur Schaffung einer neuen Klassifikation für schwach wechselwirkende Teilchen führte, die Elektronen ähnlich waren.

Die erste Entdeckung machte der österreichisch-schweizerische Physiker Wolfgang Pauli 1930, der die Existenz des Elektronenneutrinos vorschlug, um die Art und Weise zu lösen, in der der Beta-Zerfall dem Energieerhaltungsgesetz und den Newtonschen Bewegungsgesetzen (insbesondere der Erhaltung von) widersprach Impuls und Erhaltung des Drehimpulses).

Das Positron und das Myon wurden 1932 bzw. 1936 von Carl D. Anders entdeckt. Aufgrund der Masse des Myons wurde es zunächst für ein Meson gehalten. Aufgrund seines Verhaltens (das dem eines Elektrons ähnelte) und der Tatsache, dass es keine starke Wechselwirkung einging, wurde das Myon neu klassifiziert. Zusammen mit dem Elektron und dem Elektronenneutrino wurde es Teil einer neuen Gruppe von Teilchen, die als "Leptonen" bekannt sind.

1962 konnte ein Team amerikanischer Physiker - bestehend aus Leon M. Lederman, Melvin Schwartz und Jack Steinberger - Wechselwirkungen des Myon-Neutrinos nachweisen, was zeigte, dass mehr als eine Art von Neutrino existierte. Gleichzeitig postulierten theoretische Physiker die Existenz vieler anderer Neutrino-Aromen, die schließlich experimentell bestätigt würden.

Das Tau-Teilchen folgte in den 1970er Jahren dank Experimenten des Nobelpreisträgers Martin Lewis Perl und seiner Kollegen vom SLAC National Accelerator Laboratory. Der Nachweis des damit verbundenen Neutrinos erfolgte dank der Untersuchung des Tau-Zerfalls, bei der Energie und Impuls fehlten, analog zu der fehlenden Energie und dem fehlenden Impuls, die durch den Beta-Zerfall von Elektronen verursacht wurden.

Im Jahr 2000 wurde das Tau-Neutrino dank der direkten Beobachtung des NU Tau (DONUT) -Experiments bei Fermilab direkt beobachtet. Dies wäre das letzte Partikel des Standardmodells, das bis 2012 beobachtet wurde, als das CERN bekannt gab, dass es ein Partikel entdeckt hatte, das wahrscheinlich das lang ersehnte Higgs-Boson war.

Heute gibt es einige Teilchenphysiker, die glauben, dass noch Leptonen darauf warten, gefunden zu werden. Diese Teilchen der „vierten Generation“ würden, wenn sie tatsächlich real wären, jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik existieren und wahrscheinlich auf noch exotischere Weise mit Materie interagieren.

Wir haben hier im Space Magazine viele interessante Artikel über Leptonen und subatomare Teilchen geschrieben. Was sind subatomare Teilchen? Was sind Baryonen? Erste Kollisionen des LHC, zwei neue gefundene subatomare Teilchen und Physiker. Vielleicht, nur vielleicht, bestätigen sie die mögliche Entdeckung der 5. Naturgewalt.

Weitere Informationen finden Sie im virtuellen Besucherzentrum von SLAC. Dort finden Sie eine gute Einführung in Leptons. Lesen Sie auch die PDG-Übersicht (Particle Data Group) zur Partikelphysik.

Astronomy Cast hat auch Episoden zu diesem Thema. Hier ist Episode 106: Die Suche nach der Theorie von allem und Episode 393: Das Standardmodell - Leptons & Quarks.

Quellen: