لپتون

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
لپتون
Beta Negative Decay.svg
لپتون‌ها در فرآیندهای زیادی شرکت دارند مانند واپاشی بتا
ترکیب: ذره بنیادی
خانواده: فرمیون
رده: ۱٬۲٬۳
برهم‌کنش: نیروی ضعیف، نیروی جاذبه، نیروی الکترومغناطیس
پاد ذره بنیادی: پادلپتون
نماد: l
تعداد انواع: ۶ (الکترون, الکترون, میون, میون, لپتون تاو, تاو نوترینو)
بار الکتریکی: e, ۰ e, −۱ e
اسپین: ۱۲

لپتون(به انگلیسی: Lepton) خانواده‌ای از ذرات بنیادی با اسپین ‎۱/۲ (فرمیون) هستند.[۱] ریشه نام این لپتون از کلمه یونانی «λεπτόν» به معنی «ریز، سبک» است.[۲]

بطور کلی شش لپتون وجود دارد سه تا ازآنها دارای بارالکتریکی بوده و سه تای دیگر هم فاقد بارالکتریکی هستند. لپتون‌ها جز ذرات بنیادین شناخته شده‌اند یعنی ذراتی که از ذرات کوچک‌تر تشکیل نشده‌اند. معروفترین لپتون الکترون (e) است لپتون‌های باردار دیگر میون (μ) و تاو (τ) هستند، که از نظر بار مثل الکترون ولی دارای جرم خیلی بیشتر نسبت به آن هستند. میون و تاو به ترتیب ۲۰۰ و ۳۰۰۰ برابر سنگین تر از الکترون هستند. به هر یک از این سه لپتون یعنی الکترون، میون و تاو می‌توان ذره‌ای به نام نوترینو نسبت داد که با نام‌های الکترون نوترینو، میون نوترینو و تاو نوترینو مشهورند. این ذرات با نیروهای بنیادی نیروی هسته‌ای ضعیف و نیروی الکترومغناطیس برهمکنش می‌کند.[۳]

همه این ۶ ذره در طبیعت وجود دارند و در شتاب دهنده‌های انرژی بالا تولید شده‌اند. البته در شرایط عادی فقط الکترون در اتم حضور دارد. که به آن معنا نیست که سایر ذرات غیر واقعی اند. همه آنها در فیزیک ذرات جایگاهی یکسان دارند.[۴]

لپتون‌ها نیز دارای پاد ذره می‌باشند پس برای هر لپتون یک ضد ماده متناظر با آن وجود دارد[۳]. دربین لپتونها پادذره الکترون نامی ویژه دارد و آن پوزیترون است.[۱]

جرم نوترینوها صفر نیست اما هنوز دقیقا مشخص نشده‌است و نظر بر این است که جرم الکترون نوترینو ضربدر سرعت نور به توان دو (۹‎×۱۰۱۶ m۲/s۲) در حدود ‎۱۰ مگاالکترون ولت و این مقدار برای میون نوترینو و تاو نوترینو به ترتیب در حدود ‎۱۰ و ‎۱۰ می‌باشد[۱]

خواص[ویرایش]

اسپین و پاریته[ویرایش]

لپتون‌ها دارای اسپین-۱۲ بنابرین این ذرات فرمیون بوده و از اصل اصل طرد پائولی پیروی می‌کنند، دو لپتون نمی‌توانند دارای دقیقا خواص یکسان در یک زمان باشد. به عبارت دیگر این ذرات فقط دو حالت اسپینی دارند بالا یا پایین.

در بسیاری از نظریه‌های میدان‌های کوانتومی—مانند الکترودینامیک کوانتومی و کرومودینامیک کوانتومی—فرمیون‌ها راست-دست و فرمیون‌های چپ-دست یکسان در نظر گرفته می‌شود. اگرچه در مدل استاندارد فرمیون‌های راست-دست و چپ-دست نامتقارن در نظر گرفته می‌شوند. فقط فرمیون‌های چپ-دست می‌توانند با نیروی هسته‌ای ضعیف برهمکنش کنند در حالی که نوترینوی راست-دست وجود ندارد. که این مثالی از نقض پاریته‌است. در متون علمی فرمیون چپ‌دست را با یک L در پایین مشخص می‌کنند (مثلا e
L) و راست نیز با R و به همان شکل.

برهمکنش الکترومغناطیسی[ویرایش]

برهمکنش لپتون-فوتون

یکی از خواص بسیار مهم لپتون‌ها بار الکتریکی، Q است. بار الکتریکی میزان قدرت آنها در برهمکنش الکترومغناطیسی یا عبارت دیگر میزان قدرت میدان الکتریکی تولید شده توسط ذرات را نشان می‌دهد (ن. ک. قانون کولن) و با چه قدرتی ذره به تغییر در میدان مغناطیسی پاسخ می‌دهد (ن. ک. نیروی لورنتس). هر نسل از لپتون‌ها یک لپتون با بار Q = −۱ (بار الکتریکی ذرات برحسب واحدی از بار الکترون نشان داده می‌شد) و یک لپتون با بار صفر دارد. به اولی لپتون باردار و به دومی نوترینو می‌گویند به طور مثال در نسل اول لپتون باردار الکترون e
و نوترینو الکترون نوترینو ν
e
است.

در زبان نظریه میدان کوانتم برهمکنش الکترومغناطیسی لپتون توسط این واقعیت بیان می‌شود که ذرات با کوانتای میدان الکترومغناطیسی یعنی فوتون برهمکنش می‌کنند. نمودار فاینمن برهمکنش الکترون فوتون در چپ نشان داده شداست.

از آنجا که لپتون یک حالت ذاتی در شکل اسپین‌شان دارند. لپتون‌های باردار میدان مغناطیسی تولید می‌کنند. گشتاور مغناطیسی μ تولید شده از فرمول زیر بدست می‌آید,

\mu = g \frac{ Q e \hbar}{4 m},

که m جرم لپتون و g فاکتور جی برای لپتون است. اولین مرتبه تقریب‌زنی در مکانیک کوانتم پیش‌بینی می‌کند که میزان فاکتور جی برای تمام لپتون‌ها برابر ۲ باشد. اگرچه تقریب‌های مرتبه بالاتر اثراتی پیش‌بینی می‌کنند که به تصحیح این عدد می‌انجامد این تصحیحات تکانه دوقطبی غیرعادی مغناطیسی (en:anomalous magnetic dipole moment)نامیده می‌شود..[۵]

برهمکنش ضعیف[ویرایش]

upleft=.۷ upleft=.۷ upleft=.۷
برهمکنش ضعیف در نسل اول لپتون‌ها.

در مدل استاندارد لپتون باردار چپ دست و نوترینو راست-دست است و یک دوگان (ν
e
L, e
L)
تشکیل می‌دهد و بیان اسپینوری در گروه واحد ویژهایزواسپین ضعیف تقارن پیمانه‌ای به (T = ۱۲) تغییر می‌کنید. این بدین معنی است که این ذرات وضعیت ویژه از نتیجه ایزواسپین T۳ با ویژه مقادیر ۱۲ و −۱۲ خواهند داشت. لپتون راست-دست باردار به یک اسکالر ضعیف ایزاسپینی (T = ۰) تبدیل می‌شود و در برهمکنش ضعیف شرکت نمی‌کند. نوترینوی راست-دست وجود ندارد.

بار الکتریکی Q می‌تواند از نمایش ایزواسپین T۳ و ابربار ضعیف YWاز طریق فرمول گل‌مان-نیشیجیما بدست آورد:

Q = T۳ + YW

جرم[ویرایش]

در مدل استاندارد (ذرات بنیادی) لپتون‌ها دارای جرم در ابتدا نیستند اما لپتون‌های باردار (الکترون، میون و تاو) با برهمکنش با بوزون هیگز جرم بدست می‌آورند ولی نوترینوها بدون جرم باقی می‌مانند بی‌جرمی نوترینوها بدین معنی است که لپتون‌های باردار نمی‌توانند مانند کوارک گروه تشکیل دهند چیزی که با مشاهدات همخوانی دارد.[۶]

اگرچه به خاطر آزمایش‌هایی —مشهورترینش نوسان نوترینو[۷]— نتیجه گرفته شده‌است که نوترینوها جرم بسیار کمی دارند، احتمالا کمتر از۲ eV/c2.[۸]که در فیزیک پس از مدل استاندارد به آن پرداخته می‌شود. مکانیزم سیساو احتمال می‌رود بتواند توضیح دهد چرا نوترینوهای چپ-دست بسیار در مقایسه با لپتون باردار سبک هستند و چرا ما هنوز نوترینو راست-دست ندیده‌ایم

عدد لپتونی[ویرایش]

نوشتار اصلی: عدد لپتونی

به تمام ذراتی که لپتون هستند مقدار عدد لپتونی +۱ و به تمام پاد ذرات انها عدد لپتونی -۱ نسبت داده می‌شود. عدد لپتونی بقیه ذرات و پادذرات برابر صفر است. این عدد در واکنش‌ها پایسته می‌ماند.

همچنین عدد لپتونی جداگانه برای هر نسل تعریف شده‌است به طور مثال برای نسل اول داریم «عدد الکترونی» که برای الکترون و الکترون نوترینو برابر Le = ۱ و عدد میونی برای میون و میون نوترینو Lμ = ۱ و عدد تائوی برای تاو و تاو نوترینو نیز Lτ = ۱ است. برای پادذرات همان مقدار ولی -۱ است. که این عدد در واپاشی‌ها و برهمکنش‌ها پایسته می‌مانند به طور مثال در واپاشی نوترون چون قبل از واپاشی عدد لپتونی برابر صفر است باید مجموع محصولات نیز برابر صفر باشد بنابرین یک نوترون به یکی از دو حالت زیر واپاشی می‌کند:

  • پروتون+الکترون+ پاد الکترون نوترینو
  • پرتون+پوزیترون+ الکترون نوترینو

و همچنین به خاطر پایستگی عدد لپتونی هر نسل این واکنش‌ها قابل انجامند:

e
+ e+
γ + γ,
τ
+ τ+
Z0
+ Z0
,

اما اینها ممنوعند:

γe
+ μ+
,
W
e
+ ν
τ
,
Z0
μ
+ τ+
.

ولی در نوسان نوترینو مشاهده شده‌است که پایستگی عدد لپتونی مجزا (عدد لپتونی مختص هر نسل) نقض می‌شود این نقض به معنی وجود فیزیک پس از مدل استاندارد است. پایستگی قوی‌تر عدد لپتونی (L به معنی مجموع تمام لپتون‌ها در یک طرف) حتی در نوسان نوترینو نیز پایسته است اما به مقدار بسیار کم در آنومالی کایرال (chiral anomaly) نقض می‌شود.

فهرست ذرات[۲][ویرایش]

خواص لپتون‌ها
نام ذره/پادذره نماد بار الکتریکی (e) اسپین Le Lμ Lτ جرم (MeV/c۲) زمان واپاشی (ثانیه) واپاشی معمول
الکترون / پوزیترون e
/e+
−۱/+۱ ۱۲ +۱/−۱ ۰ ۰ ۰.۵۱۰۹۹۸۹۱۰(13) پایدار پایدار
میون / پادمیون μ
/μ+
−۱/+۱ ۱۲ ۰ +۱/−۱ ۰ ۱۰۵.۶۵۸۳۶۶۸(38) ۲.۱۹۷۰۱۹(21)×۱۰−۶ e
+ ν
e
+ ν
μ
لپتون تاو / پادتاو τ
/τ+
−۱/+۱ ۱۲ ۰ ۰ +۱/−۱ ۱٬۷۷۶.۸۴(17) ۲.۹۰۶(10)×۱۰−۱۳ فهرست
الکترون نوترینو / الکترون پادنوترینو[۸] ν
e
/ν
e
۰ ۱۲ +۱/−۱ ۰ ۰ < ۰.۰۰۰۰۰۲۲[۹] نامعلوم
میون نوترینو / میون پادنوترینو[۸] ν
μ
/ν
μ
۰ ۱۲ ۰ +۱/−۱ ۰ < ۰٫۱۷ نامعلوم
تاو نوترینو / تاو پادنوترینو[۸] ν
τ
/ν
τ
۰ ۱۲ ۰ ۰ +۱/−۱ < ۱۵٫۵[۹] نامعلوم

منابع[ویرایش]

  1. ۱٫۰ ۱٫۱ ۱٫۲ Economou, Elftherios N.. A Short Journey from Quarks to the Universe. Springer, 2011. 8٬9. ISBN ‎978-3-642-20088-5. 
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ Wikipedia contributors, "Lepton," Wikipedia, The Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Lepton&oldid=483384845 (accessed May 24, 2012).
  3. ۳٫۰ ۳٫۱ Daintih، John. Oxford Dictionary of Physics [واژه‌نامه فیزیک آکسفورد]. ویرایش 6th. OUP, 2009. ISBN ‎978-0-19-923399-1. 
  4. پادمانابهان، تهانو. پس از نخستین یه دقیقه:حکایت خلقت عالم. -تهران انتشارات ققنوس،1383 ISBN 964-311-484-8
  5. M.E. Peskin, D.V. Schroeder (1995), p. 197
  6. M.E. Peskin, D.V. Schroeder (1995), p. 27
  7. Y. Fukuda et al. (1998)
  8. ۸٫۰ ۸٫۱ ۸٫۲ ۸٫۳ C.Amsler et al. (2008): Particle listings – Neutrino properties
  9. ۹٫۰ ۹٫۱ J. Peltoniemi, J. Sarkamo (2005)