WAT ZIJN LEPTONEN?

Send

In de 19e en 20e eeuw begonnen natuurkundigen diep in de aard van materie en energie te duiken. Daarbij realiseerden ze zich al snel dat de regels die hen beheersen steeds vager worden naarmate men dieper gaat. Waar vroeger de overheersende theorie was dat alle materie uit ondeelbare atomen bestond, begonnen wetenschappers te beseffen dat atomen zelf uit nog kleinere deeltjes bestaan.

Uit deze onderzoeken is het standaardmodel voor deeltjesfysica geboren. Volgens dit model bestaat alle materie in het heelal uit twee soorten deeltjes: hadronen - waaraan de Large Hadron Collider (LHC) zijn naam dankt - en leptonen. Waar hadrons zijn samengesteld uit andere elementaire deeltjes (quarks, anti-quarks, enz.), Zijn leptonen elementaire deeltjes die op zichzelf bestaan.

Definitie:

Het woord lepton komt uit het Grieks leptos, wat "klein", "fijn" of "dun" betekent. Het eerste geregistreerde gebruik van het woord was door natuurkundige Leon Rosenfeld in zijn boekNucleaire krachten (1948). In het boek schreef hij het gebruik van het woord toe aan een suggestie van de Deense chemicus en natuurkundige prof. Christian Moller.

De term is gekozen om te verwijzen naar deeltjes met een kleine massa, aangezien de enige bekende leptonen in Rosenfeld's tijd muonen waren. Deze elementaire deeltjes zijn meer dan 200 keer zo zwaar als elektronen, maar hebben slechts ongeveer een negende van de massa van een proton. Naast quarks zijn leptonen de basisbouwstenen van materie en worden daarom gezien als 'elementaire deeltjes'.

Soorten leptonen:

Volgens het standaardmodel zijn er zes verschillende soorten leptonen. Deze omvatten de Electron-, de Muon- en Tau-deeltjes, evenals hun bijbehorende neutrino's (d.w.z. elektronenneutrino, muon-neutrino en tau-neutrino). Leptons hebben een negatieve lading en een duidelijke massa, terwijl hun neutrino's een neutrale lading hebben.

Elektronen zijn het lichtst, met een massa van 0,000511 gigaelectronvolts (GeV), terwijl Muons een massa hebben van 0,1066 Gev en Tau-deeltjes (de zwaarste) hebben een massa van 1,777 Gev. De verschillende soorten elementaire deeltjes worden gewoonlijk "smaken" genoemd. Hoewel elk van de drie lepton-smaken verschillend en verschillend is (in termen van hun interacties met andere deeltjes), zijn ze niet onveranderlijk.

Een neutrino kan de smaak veranderen, een proces dat bekend staat als "neutrino flavour oscillation". Dit kan een aantal vormen aannemen, waaronder zonne-neutrino, atmosferische neutrino, kernreactor of bundeloscillaties. In alle waargenomen gevallen werden de oscillaties bevestigd door wat een tekort leek te zijn in het aantal gecreëerde neutrino's.

Een waargenomen oorzaak heeft te maken met "muon-verval" (zie hieronder), een proces waarbij muonen hun smaak veranderen in elektronenneutrino's of tau-neutrino's - afhankelijk van de omstandigheden. Bovendien hebben alle drie de leptonen en hun neutrino's een geassocieerd antideeltje (antilepton).

Voor elk hebben de antileptonen een identieke massa, maar alle andere eigenschappen zijn omgekeerd. Deze paringen bestaan uit het elektron / positron, muon / antimuon, tau / antitau, elektron neutrino / elektron antineutrino, muon neutrino / muan antinuetrino en tau neutrino / tau antineutrino.

Het huidige standaardmodel veronderstelt dat er niet meer dan drie soorten (ook bekend als "generaties") leptonen zijn met hun bijbehorende neutrino's. Dit komt overeen met experimenteel bewijs dat probeert het proces van nucleosynthese na de oerknal te modelleren, waarbij het bestaan van meer dan drie leptonen de overvloed aan helium in het vroege heelal zou hebben beïnvloed.

Eigendommen:

Alle leptonen hebben een negatieve lading. Ze hebben ook een intrinsieke rotatie in de vorm van hun spin, wat betekent dat elektronen met een elektrische lading - d.w.z. "geladen leptonen" - magnetische velden zullen genereren. Ze kunnen alleen interageren met andere materie door zwakke elektromagnetische krachten. Uiteindelijk bepaalt hun lading de sterkte van deze interacties, evenals de sterkte van hun elektrische veld en hoe ze reageren op externe elektrische of magnetische velden.

Niemand is echter in staat om via sterke krachten met materie in wisselwerking te staan. In het standaardmodel begint elk lepton zonder intrinsieke massa. Geladen leptonen verkrijgen een effectieve massa door interacties met het Higgs-veld, terwijl neutrino's ofwel massaloos blijven of slechts een zeer kleine massa hebben.

Geschiedenis van de studie:

Het eerste lepton dat werd geïdentificeerd, was het elektron, dat werd ontdekt door de Britse natuurkundige J.J. Thomson en zijn collega's gebruikten in 1897 een reeks experimenten met kathodestraalbuizen. De volgende ontdekkingen kwamen in de jaren dertig van de vorige eeuw, wat zou leiden tot de creatie van een nieuwe classificatie voor zwak interagerende deeltjes die vergelijkbaar waren met elektronen.

De eerste ontdekking werd gedaan door de Oostenrijks-Zwitserse natuurkundige Wolfgang Pauli in 1930, die het bestaan van de elektronenneutrino voorstelde om de manieren op te lossen waarop bèta-verval in tegenspraak was met de wet op het behoud van energie en de bewegingswetten van Newton (met name het behoud van Momentum en behoud van impulsmoment).

De positron en muon werden respectievelijk ontdekt door Carl D. Anders in 1932 en 1936. Vanwege de massa van de muon werd het aanvankelijk aangezien voor een meson. Maar vanwege zijn gedrag (dat leek op dat van een elektron) en het feit dat het geen sterke interactie onderging, werd de muon opnieuw geclassificeerd. Samen met het elektron en het elektronneutrino werd het onderdeel van een nieuwe groep deeltjes die bekend staat als "leptonen".

In 1962 kon een team van Amerikaanse natuurkundigen - bestaande uit Leon M. Lederman, Melvin Schwartz en Jack Steinberger - interacties van het muon neutrino detecteren, wat aantoonde dat er meer dan één type neutrino bestond. Tegelijkertijd postuleerden theoretische natuurkundigen het bestaan van vele andere smaken van neutrino's, die uiteindelijk experimenteel zouden worden bevestigd.

Het tau-deeltje volgde in de jaren zeventig, dankzij experimenten uitgevoerd door Nobelprijswinnend natuurkundige Martin Lewis Perl en zijn collega's van het SLAC National Accelerator Laboratory. Bewijs van de bijbehorende neutrino volgde dankzij de studie van tau-verval, die ontbrekende energie en momentum vertoonde, analoog aan de ontbrekende energie en momentum veroorzaakt door het bèta-verval van elektronen.

In 2000 werd de tau-neutrino direct waargenomen dankzij de Direct Observation of the NU Tau (DONUT) -experiment in Fermilab. Dit zou het laatste deeltje van het standaardmodel zijn dat tot 2012 werd waargenomen, toen CERN aankondigde een deeltje te hebben gedetecteerd dat waarschijnlijk het lang gezochte Higgs-boson was.

Tegenwoordig zijn er enkele deeltjesfysici die geloven dat er nog steeds leptonen wachten om gevonden te worden. Als ze inderdaad "echt" zijn, zouden deze "vierde generatie" -deeltjes buiten het standaardmodel van de deeltjesfysica bestaan en zouden ze waarschijnlijk op nog exotischer manieren met materie interageren.

We hebben hier bij Space Magazine veel interessante artikelen geschreven over leptonen en subatomaire deeltjes. Hier zijn wat zijn subatomaire deeltjes?, Wat zijn baryonen?, Eerste botsingen van de LHC, twee nieuwe subatomaire deeltjes gevonden en natuurkundigen bevestigen misschien, misschien, misschien de mogelijke ontdekking van 5th Force of Nature.

Voor meer informatie heeft SLAC's Virtual Visitor Centre een goede introductie tot leptons en bekijk zeker de Particle Data Group (PDG) Review of Particle Physics.

Astronomy Cast heeft ook afleveringen over het onderwerp. Hier is aflevering 106: de zoektocht naar de theorie van alles en aflevering 393: het standaardmodel - Leptons & Quarks.

Bronnen: