轻子

轻子（Lepton）是一种不参与强相互作用、自旋为1/2的基本粒子。电子是最为人知的一种轻子；大部分化学领域都会涉及到与电子的相互作用，原子不能没有它，所有化学性质都直接与它有关。轻子又分为两类：“带电轻子”与“中性轻子”。带电轻子包括电子、μ子、τ子，可以与其它粒子组合成复合粒子，例如原子、电子偶素等等。 在所有带电轻子中，电子的质量最轻，也是宇宙中最稳定、最常见的轻子；质量较重的μ子与τ子会很快地衰变成电子，μ子与τ子必须经过高能量碰撞制成，例如使用粒子加速器或在宇宙线探测实验。中性轻子包括电中微子、μ中微子、τ中微子；它们很少与任何粒子相互作用，很难被观测到。轻子一共有六种风味，形成三个世代。第一代是电轻子，包括电子（e−）与电中微子 （νe）。第二代是缈轻子，包括μ子（μ−）与μ中微子 （νμ）。第三代是陶轻子，包括τ子（τ−）与τ中微子（ντ）。轻子拥有很多内秉性质，包括电荷、自旋、质量等等。轻子与夸克有一点很不相同：轻子不会感受到强作用力。轻子会感受到其它三种基础力：引力、弱作用力、电磁力。但是，由于中微子的电性是中性，中微子不会感受到电磁力。每一种轻子风味都有其对应的反粒子，称为“反轻子”。带电轻子与对应的反轻子唯一不同之处是带有电荷的正负号相反。根据某些理论，中微子是自己的反粒子，但这论点尚未被证实。在标准模型里，轻子扮演重要角色，电子是原子的成分之一，与质子、中子共同组成原子。在某些被合成的奇异原子里，电子被更换为μ子或τ子。像电子偶素一类的轻子-反轻子粒子也可以被合成。英文术语“lepton”源自希腊语“λεπτόν”（leptón），是“λεπτός”（leptós）的中性，含意为"小、薄"。莱昂·罗森菲尔德于1948年最先为英文术语“lepton”命名。在克理斯蒂安·莫勒（英语：Christian Møller）教授的建议之后，决定用“lepton”（从“λεπτός”，小、薄）这字来称呼一种小质量的粒子。这命名不正确地假定所有轻子的质量都很小。在洛森斐命名那时，学术界只知道有电子与μ子两种轻子。它们的质量的确很小，电子的质量为6986818712184856999♠0.511 MeV，μ子的质量为6989169350054675900♠105.7 MeV，比质子的质量6990150332219775210♠938.3 MeV轻很多。可是，在1970年代中期发现的τ子，它的质量是6990284706761739900♠1777 MeV，几乎是质子的两倍。最先被辨识的轻子是电子，英国物理学者约瑟夫·汤姆孙与实验团队于1897年发现电子。 1930年，沃尔夫冈·泡利大胆假设电中微子存在，这是为了解释β衰变的能量缺失问题，挽救能量守恒定律；泡利认为，所有最初与最终观察到的粒子的能量差，都被一种尚未探测到的粒子带走了，这粒子具有电中性，不会留下轨迹，所以很难探测到。三年后，恩里科·费米给出理论，成功描述β衰变，强力支持泡利的假设。费米将这粒子命名为“中微子”，意思为“微小的中子”。在那时期，电中微子被称为中微子，因为尚未发现其它世代的中微子。1956年，克莱德·科温与弗雷德里克·莱因斯共同完成科温-莱因斯中微子实验（英语：Cowan–Reines neutrino experiment）首先直接观察到中微子的存在。在电子被发现大约40年之后，卡尔·安德森于1936年发现了μ子。由于它的质量，μ子最初被归类为介子，而不是轻子。渐渐地，学者发觉μ子的性质更接近电子，只是质量比较大，而且μ子不会感受到强相对作用，不具有介子的性质。1947年，才有学者开始提议一群粒子被归类为轻子的概念。 后来，μ子被重新归类，μ子、电子与电中微子一起被归类为轻子。1962年 利昂·莱德曼、梅尔文·施瓦茨与杰克·施泰因贝格尔做实验直接探测到μ中微子，证实不只一种中微子存在。马丁·佩尔与他的实验团队于1975年完成实验首先探测到τ子。如同电子与μ子，物理学者认为它应该也有伴随的中微子，这是因为他们观察到类似β衰变的缺失能量问题。费米实验室的直接观察τ中微子实验（Direct Observation of the NU Tau，DONUT ）团队于2000年探测到τ中微子参与作用的证据。虽然现有数据符合三个世代的轻子，有些粒子物理学者仍在寻找第四代带电轻子。这种带电轻子的质量下限为6992161499389889600♠100.8 GeV，伴随它的中微子最少应该带有质量6991720979419149999♠45.0 GeV。轻子是自旋1⁄2粒子，只能处于两种自旋态：上旋或下旋。自旋统计定理将它们按照自旋归类为费米子，遵守泡利不相容原理，因此任何两个全同的轻子不能同时占有相同的量子态。:28-29手征性与螺旋性（helicity）是与自旋紧密相关的两种性质，螺旋性跟粒子的自旋与动量之间的相对方向有关；假若是同向，则粒子具有右手螺旋性，否则粒子具有左手螺旋性。对于不带质量粒子，这相对方向与参考系无关，可是，对于带质量粒子，由于可以借着洛伦兹变换来改换参考系，从不同的参考系观察，粒子动量不同，因此翻改螺旋性，可以从右手螺旋性翻改为左手螺旋性，或从左手螺旋性翻改为右手螺旋性。手征性是通过庞加莱群（Poincaré group）的变换来定义的性质。对于不带质量粒子，手征性与螺旋性一致；对于带质量粒子，手征性与螺旋性有别。:137-138, 338-340在很多量子场论里，例如量子电动力学与量子色动力学，并没有对左手与右手费米子作任何区分，可是，在标准模型的弱相互作用理论里，按照手征性区分的左手与右手费米子被非对称地处理，只有左手费米子参与弱相互作用，右手中微子不存在。这是宇称违反的典型例子。:ch 9.7轻子的电荷 Q {displaystyle Q} 决定了它所产生的电磁场，也决定了它怎样响应外电磁场。轻子的每个世代的组员都有一个带电轻子 Q = − 1 {displaystyle Q=-1} 与一个中性轻子 Q = 0 {displaystyle Q=0} ，例如，第一代轻子为电子e−与电中微子νe。使用量子场论的语言，带电轻子所涉及的电磁相互作用表达为这轻子与电磁场的量子（光子）彼此之间的相互作用。右图是电子-光子相互作用的费曼图。由于轻子具有自旋，带电轻子会产生磁场，磁偶极矩 μ {displaystyle mu } 为其中， m {displaystyle m} 是轻子的质量， g {displaystyle g} 是轻子的g-因数（g-factor）。一阶近似量子力学预测，对于所有轻子，g-因数为2；可是高阶量子效应，因为费曼图里的虚粒子圈对于这数字给出修正。这些修正，称为反常磁偶极矩（anomalous magnetic dipole moment），对于量子场论模型的细节非常敏感，因此是准确检验标准模型的好机会。对于电子测量其反常磁偶极矩所得到的实验数值符合理论结果至8个有效数字。:197在标准模型里，轻子可以按照手征性分为左手轻子与右手轻子；左手轻子的弱同位旋T为1⁄2，左手带电轻子与左手中微子的弱同位旋投影（弱同位旋的第三分量）T3分别为-1⁄2、+1⁄2，弱相互作用是由它们组成二重态（doublet state）(νeL, e−L)共同实现；右手带电轻子的弱同位旋T为0，形成单态，不参与弱相互作用；右手中微子并不存在。:342-344希格斯机制将弱同位旋SU(2)与弱超荷U(1)对称的四个规范场，重新组合成传递弱相对作用的三个带质量玻色子 （W+、W−、Z0）与传递电磁相对作用的不带质量玻色子（光子）。通过盖尔曼-西岛方程，可以从弱同位旋投影T3与弱超荷YW计算出电荷Q：为了符合观察到的任何粒子所带有的电荷，所有左手弱同位旋二重态(νeL, e−L)的弱超荷YW必须为-1，而右手弱同位旋单态(e−R)}的弱超荷YW必须为-2。在标准模型里，每一个轻子原本不具有内秉质量；通过与希格斯场耦合，带电轻子获得有效质量，但中微子仍旧不带质量，这意味着不同世代的带电轻子不会相互混合，与夸克的物理行为大不相同。这结果符合当今实验数据。:27但是，从实验中得知（最显著的是中微子振荡实验），中微子实际带有微小质量，大约小于6981320435297400000♠2 eV。这意味着后标准模型 （beyond the Standard Model）的物理现象。当今最被物理学者青睐的理论延伸是翘翘板机制，它可以解释为什么左手中微子的质量远轻于对应的带电轻子，为什么做实验尚未能观察到任何右手中微子。每一代轻子的成员组成一个弱同位旋二重态：每一代弱同位旋二重态的成员都被分派一个轻子数。在标准模型里，轻子数守恒。:27-49电子与电中微子的电子数Le为1。μ子与μ中微子的μ子数Lμ为1。τ子与τ中微子的τ子数Lτ为1。 反轻子的轻子数为对应轻子的轻子数乘以−1。轻子数守恒的意思就是同类氢子数的代数和保持不变，当粒子耦合时；这意味着只有同一代的轻子与反轻子才能成对产生。例如，以下过程是被允许的：以下过程是不被允许的：但是，中微子振荡违反单独轻子数守恒，这是后标准模型物理的确凿证据。更强的守恒定律是总轻子数守恒。中微子振荡遵守总轻子数守恒。但是，手征反常（英语：chiral anomaly）稍微违反了这守恒定律。轻子与对应的中微子之间的相互作用与风味无关，换句话说，对于电子与电中微子之间的相互作用、μ子与μ中微子之间的相互作用、τ子与τ中微子之间的相互作用，假若将质量差别纳入考量，则这三种相互作用的效应相等。这性质称为轻子相互作用的“普适性”。所有已知实验数据与这种普适性一致:36-38做实验测量τ子与μ子的平均寿命，或Z玻色子衰变为轻子的部分衰变宽度，可以检验这性质。在大型正负电子对撞机与斯坦福直线加速器里，完成了很多这类检验普适性的实验。:241-243:138对于过程μ− → e− + νe + νμ ，μ子的衰变率 Γ {displaystyle Gamma } 以方程表示为（更详尽内容，请参阅μ子衰变）:36-38其中， K 1 {displaystyle K_{1}} 是常数， G F {displaystyle G_{F}} 是费米耦合常数， m μ {displaystyle m_{mu }} 是μ子的质量。对于过程τ− → e− + νe + ντ ，τ子的衰变率 Γ {displaystyle Gamma } 以同样形式的方程表示为其中， K 2 {displaystyle K_{2}} 是常数， m τ {displaystyle m_{tau }} 是τ子的质量。μ子-τ子普适性意味着 K 1 = K 2 {displaystyle K_{1}=K_{2}} 。普适性也能够解释μ子寿命与τ子寿命之间的关系。轻子的寿命 L l {displaystyle L_{l}} 与衰变率 Γ {displaystyle Gamma } 之间的关系为其中， B ( x → y ) {displaystyle B(xrightarrow y)} 与 Γ ( x → y ) {displaystyle Gamma (xrightarrow y)} 分别标记过程 x → y {displaystyle xrightarrow y} 的分支比与共振宽度。τ子与μ子的寿命比因此为从实验获得的μ子分支比与τ子分支比，可以计算出寿命比为大约6993132800000000000♠1.328×10−7，实验测量得到的寿命比为 ~6993132299999999999♠1.323×10−7。两者之差异是因为 K 1 {displaystyle K_{1}} 、 K 2 {displaystyle K_{2}} 实际并不是常数，它们与轻子的质量有关。另外，由于电子-μ子普适性，τ子衰变为电子的分支比(17.85%) 与衰变为μ子的分支比 (17.36%) 相同（在误差范围内）：