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Leptón

En física de partículas , un leptón es una partícula elemental de espín semientero ( espín 1/2 ) que no experimenta interacciones fuertes . [ 1 ] Existen dos clases principales ...

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En física de partículas , un leptón es una partícula elemental de espín semientero ( espín 1/2 ) que no experimenta interacciones fuertes . [ 1 ] Existen dos clases principales de leptones: leptones cargados (también conocidos como leptones tipo electrón o muones), incluyendo el electrón , el muón y el tauón , y leptones neutros, más conocidos como neutrinos . Los leptones cargados pueden combinarse con otras partículas para formar diversas partículas compuestas como átomos y positronio , mientras que los neutrinos rara vez interactúan con algo y, en consecuencia, rara vez se observan. El más conocido de todos los leptones es el electrón .

Hay seis tipos de leptones, conocidos como sabores , agrupados en tres generaciones . [ 2 ] Los leptones de primera generación , también llamados leptones electrónicos , comprenden el electrón ( e −) y el neutrino electrónico ( νe ); los segundos son losleptones muónicos, que comprenden elmuón(μ −) y el neutrino muónico ( νμ ); y los terceros son losleptones tauónicos, que comprenden eltau(τ −) y el neutrino tau ( ντ ). Los electrones tienen la menor masa de todos los leptones cargados. Los muones y tau, más pesados, se transformarán rápidamente en electrones y neutrinos mediante un proceso dedesintegración de partículas: la transformación de un estado de mayor masa a uno de menor masa. Por lo tanto, los electrones son estables y el leptón cargado más común deluniverso, mientras que los muones y tau solo pueden producirse ende alta energía(como las que involucranrayos cósmicosy las que se llevan a cabo enaceleradores de partículas).

Los leptones poseen diversas propiedades intrínsecas , como carga eléctrica , espín y masa . Sin embargo, a diferencia de los quarks , los leptones no están sujetos a la interacción fuerte , pero sí a las otras tres interacciones fundamentales : la gravitación , la interacción débil y el electromagnetismo , este último proporcional a la carga y, por lo tanto, nulo para los neutrinos eléctricamente neutros.

Para cada sabor de leptón, existe un tipo correspondiente de antipartícula , conocida como antileptón, que se diferencia del leptón únicamente en que algunas de sus propiedades tienen igual magnitud pero signo opuesto . Según ciertas teorías, los neutrinos podrían ser su propia antipartícula . Actualmente se desconoce si esto es así.

El primer leptón cargado, el electrón, fue teorizado a mediados del siglo XIX por varios científicos [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] y fue descubierto en 1897 por JJ Thomson . [ 6 ] El siguiente leptón en ser observado fue el muón , descubierto por Carl D. Anderson en 1936, que fue clasificado como un mesón en ese momento. [ 7 ] Después de la investigación, se dio cuenta de que el muón no tenía las propiedades esperadas de un mesón, sino que se comportaba como un electrón, solo que con mayor masa. No fue hasta 1947 que se propuso el concepto de "leptones" como una familia de partículas. [ 8 ] El primer neutrino, el neutrino electrónico, fue propuesto por Wolfgang Pauli en 1930 para explicar ciertas características de la desintegración beta . [ 8 ] Se observó por primera vez en el experimento de neutrinos de Cowan-Reines realizado por Clyde Cowan y Frederick Reines en 1956. [ 8 ] [ 9 ] El neutrino muónico fue descubierto en 1962 por Leon M. Lederman , Melvin Schwartz y Jack Steinberger , [ 10 ] y el tau fue descubierto entre 1974 y 1977 por Martin Lewis Perl y sus colegas del Centro del Acelerador Lineal de Stanford y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . [ 11 ] El neutrino tau permaneció esquivo hasta julio de 2000, cuando la colaboración DONUT de Fermilab anunció su descubrimiento. [ 12 ] [ 13 ]

Los leptones son una parte importante del Modelo Estándar . Los electrones son uno de los componentes de los átomos , junto con los protones y los neutrones . También se pueden sintetizar átomos exóticos con muones y tauones en lugar de electrones, así como partículas leptón-antileptón como el positronio .

Etimología

El nombre leptón proviene del griego λεπτός leptós , "fino, pequeño, delgado" ( forma singular nominativa neutra /acusativa: λεπτόν leptón ); [ 14 ] [ 15 ] la forma más antigua atestiguada de la palabra es el griego micénico 𐀩𐀡𐀵 , re-po-to , escrito en escritura silábica Lineal B. [ 16 ] Leptón fue utilizado por primera vez por el físico Léon Rosenfeld en 1948: [ 17 ]

Siguiendo una sugerencia del profesor C. Møller , adopto —como término complementario de "nucleón"— la denominación "leptón" (de λεπτός, pequeño, delgado, delicado) para designar una partícula de masa pequeña.

Rosenfeld eligió el nombre como nombre común para los electrones y (entonces hipotetizados) los neutrinos. Además, el muón, inicialmente clasificado como un mesón, fue reclasificado como un leptón en la década de 1950. Las masas de esas partículas son pequeñas en comparación con los nucleones; la masa de un electrón (0,511 MeV/ c 2  ) [ 18 ] y la masa de un muón (con un valor de105,7  MeV/ c 2 ) [ 19 ] son ​​fracciones de la masa del protón "pesado" (938,3  MeV/ c 2 ), y la masa de un neutrino es casi cero. [ 20 ] Sin embargo, la masa del tau (descubierto a mediados de la década de 1970) (1777  MeV/ c 2 ) [ 21 ] es casi el doble que el del protón y3477 ‍ [22 ] veces la del electrón.

Historia

Un muón se transmuta en un neutrino muónico mediante la emisión de un W −bosón . El W −El bosón posteriormente se desintegra en un electrón y un antineutrino electrónico .

El primer leptón identificado fue el electrón, descubierto por J.J. Thomson y su equipo de físicos británicos en 1897. [ 23 ] [ 24 ] Luego, en 1930, Wolfgang Pauli postuló que el neutrino electrónico preservaba la conservación de la energía , la conservación del momento y la conservación del momento angular en la desintegración beta . [ 25 ] Pauli teorizó que una partícula no detectada se llevaba la diferencia entre la energía , el momento y el momento angular de las partículas iniciales y finales observadas. Al neutrino electrónico se le llamó simplemente neutrino, ya que aún no se sabía que los neutrinos existían en diferentes sabores (o diferentes "generaciones").

Casi 40 años después del descubrimiento del electrón, Carl D. Anderson descubrió el muón en 1936. Debido a su masa, inicialmente se clasificó como un mesón en lugar de un leptón. [ 7 ] Posteriormente, quedó claro que el muón era mucho más similar al electrón que a los mesones, ya que los muones no experimentan la interacción fuerte , por lo que se reclasificó: los electrones, los muones y el neutrino (electrón) se agruparon en un nuevo grupo de partículas: los leptones. En 1962, Leon M. Lederman , Melvin Schwartz y Jack Steinberger demostraron que existe más de un tipo de neutrino al detectar por primera vez las interacciones del neutrino muónico , lo que les valió el Premio Nobel de 1988 , aunque para entonces ya se habían teorizado los diferentes tipos de neutrino. [ 26 ]

El tau fue detectado por primera vez en una serie de experimentos entre 1974 y 1977 por Martin Lewis Perl con sus colegas en el grupo SLAC LBL . [ 11 ] Al igual que el electrón y el muón, también se esperaba que tuviera un neutrino asociado. La primera evidencia de neutrinos tau provino de la observación de energía y momento "faltantes" en la desintegración del tau, análoga a la energía y el momento "faltantes" en la desintegración beta que condujo al descubrimiento del neutrino electrónico. La primera detección de interacciones de neutrinos tau fue anunciada en 2000 por la colaboración DONUT en Fermilab , convirtiéndose en la segunda partícula más tardía del Modelo Estándar en haber sido observada directamente, [ 13 ] siendo el bosón de Higgs descubierto en 2012.

Aunque todos los datos actuales son consistentes con tres generaciones de leptones, algunos físicos de partículas están buscando una cuarta generación. El límite inferior actual para la masa de dicho cuarto leptón cargado es100,8 GeV/ c²  , [ 27 ] mientras que su neutrino asociado tendría una masa de al menos45,0  GeV / c2 . [ 28 ]

Propiedades

Espín y quiralidad

Helicidades zurdas y diestras

Los leptones son partículas de espín 1/2 . El teorema de espín-estadística implica , por lo tanto , que son fermiones y, en consecuencia , que están sujetos al principio de exclusión de Pauli : dos leptones de la misma especie no pueden estar en el mismo estado al mismo tiempo. Además, esto significa que un leptón solo puede tener dos estados de espín posibles: arriba o abajo. 

Una propiedad estrechamente relacionada es la quiralidad , que a su vez está estrechamente relacionada con una propiedad más fácilmente visualizable llamada helicidad . La helicidad de una partícula es la dirección de su espín con respecto a su momento ; las partículas con espín en la misma dirección que su momento se denominan diestras y las que tienen espín en la dirección opuesta se denominan zurdas . Cuando una partícula no tiene masa, la dirección de su momento con respecto a su espín es la misma en cualquier sistema de referencia, mientras que para partículas con masa es posible "superar" a la partícula eligiendo un sistema de referencia que se mueva más rápido ; en el sistema más rápido, la helicidad se invierte. La quiralidad es una propiedad técnica, definida mediante el comportamiento de transformación bajo el grupo de Poincaré , que no cambia con el sistema de referencia. Se ha diseñado para que coincida con la helicidad para partículas sin masa, y sigue estando bien definida para partículas con masa.

En muchas teorías cuánticas de campos , como la electrodinámica cuántica y la cromodinámica cuántica , los fermiones levógiros y dextrógiros son idénticos. Sin embargo, la interacción débil del Modelo Estándar trata a los fermiones levógiros y dextrógiros de manera diferente: solo los fermiones levógiros (y los antifermiones dextrógiros) participan en la interacción débil. Este es un ejemplo de violación de la paridad explícitamente escrita en el modelo. En la literatura, los campos levógiros se suelen denotar con un subíndice L mayúscula (por ejemplo, el electrón normal e − L ) y los campos dextrógiros con un subíndice R mayúscula (por ejemplo, un positrón e + R ).

Los neutrinos diestros y los antineutrinos zurdos no tienen interacción posible con otras partículas (véase Neutrino estéril ) y, por lo tanto, no son una parte funcional del Modelo Estándar, aunque su exclusión no es un requisito estricto; a veces se incluyen en las tablas de partículas para enfatizar que no tendrían un papel activo si se incluyeran en el modelo. Aunque las partículas diestros con carga eléctrica (electrón, muón o tau) no participan específicamente en la interacción débil, aún pueden interactuar eléctricamente y, por lo tanto, aún participan en la fuerza electrodébil combinada , aunque con diferentes intensidades ( Y W ).

Interacción electromagnética

Interacción leptón-fotón

Una de las propiedades más destacadas de los leptones es su carga eléctrica , Q. La carga eléctrica determina la intensidad de sus interacciones electromagnéticas . Determina la intensidad del campo eléctrico generado por la partícula (véase la ley de Coulomb ) y la intensidad con la que la partícula reacciona a un campo eléctrico o magnético externo (véase la fuerza de Lorentz ). Cada generación contiene un leptón con Q = −1 e y un leptón con carga eléctrica cero. Al leptón con carga eléctrica se le suele denominar simplemente leptón cargado, mientras que a un leptón neutro se le llama neutrino . Por ejemplo, la primera generación consta del electrón e −con carga eléctrica negativa y el neutrino electrónico eléctricamente neutro νe .

En el lenguaje de la teoría cuántica de campos, la interacción electromagnética de los leptones cargados se expresa mediante la interacción de las partículas con el cuanto del campo electromagnético, el fotón . El diagrama de Feynman de la interacción electrón-fotón se muestra a la derecha.

Debido a que los leptones poseen una rotación intrínseca en forma de espín, los leptones cargados generan un campo magnético. El tamaño de su momento dipolar magnético μ viene dado por

μ=gramoQℏ4metro ,{\displaystyle \mu =g\,{\frac {\;Q\hbar \;}{4m}}\ ,}

donde m es la masa del leptón y g es el llamado " factor g  " para el leptón. La aproximación mecánica cuántica de primer orden predice que la magnitud del factor g  es 2 para todos los leptones. Sin embargo, los efectos cuánticos de orden superior causados ​​por bucles en diagramas de Feynman introducen correcciones a este valor. Estas correcciones, denominadas momento dipolar magnético anómalo , son muy sensibles a los detalles de un modelo de teoría cuántica de campos y, por lo tanto, brindan la oportunidad de realizar pruebas de precisión del Modelo Estándar. Los valores teóricos y medidos para el momento dipolar magnético anómalo del electrón concuerdan dentro de ocho cifras significativas. [ 29 ] Sin embargo, los resultados para el muón son problemáticos , lo que sugiere una pequeña pero persistente discrepancia entre el Modelo Estándar y el experimento.

Interacción débil

En el Modelo Estándar, el leptón cargado zurdo y el neutrino zurdo están dispuestos en dobletes. que se transforma en la representación espinorial ( T = 1/2 ) de la simetría de gauge SU(2) de isospín débil. Esto significa que estas partículas son autoestados de la proyección de isospín T3 con autovalores +1/2 y  -1/2  respectivamente . Mientras tanto , el leptón cargado diestro se transforma como un escalar de isospín débil ( T  =  0 ) y , por lo tanto , no participa en la interacción débil , mientras que no hay evidencia de que exista un neutrino diestro.

El mecanismo de Higgs recombina los campos de gauge de las simetrías de isospín débil SU(2) y de hipercarga débil U(1) en tres bosones vectoriales masivos ( W +, W −, Z 0) mediando la interacción débil , y un bosón vectorial sin masa, el fotón ( γ ), responsable de la interacción electromagnética. La carga eléctrica Q se puede calcular a partir de la proyección de isospín T3 y la hipercarga débil YW mediante la fórmula de Gell-Mann-Nishijima ,

Q = T 3 + 1 / 2 Y W .​​

Para recuperar las cargas eléctricas observadas para todas las partículas, el doblete de isospín débil levógiro (ν eL , e − L ) debe tener Y W = −1 , mientras que el escalar de isospín dextrógiro e − R debe tener Y W = −2 . La interacción de los leptones con los bosones vectoriales masivos de interacción débil se muestra en la figura de la derecha.

Masa

En el Modelo Estándar , cada leptón comienza sin masa intrínseca. Los leptones cargados (es decir, el electrón, el muón y el tau) adquieren una masa efectiva mediante la interacción con el campo de Higgs , pero los neutrinos permanecen sin masa. Por razones técnicas, la ausencia de masa de los neutrinos implica que no hay mezcla de las diferentes generaciones de leptones cargados, como ocurre con los quarks . La masa cero del neutrino concuerda estrechamente con las observaciones experimentales directas actuales de su masa. [ 30 ]

Sin embargo, se sabe a partir de experimentos indirectos —principalmente a partir de las oscilaciones de neutrinos observadas [ 31 ] — que los neutrinos deben tener una masa distinta de cero, probablemente menor que2 eV/ c² .  [ 32 ] Esto implica la existencia de física más allá del Modelo Estándar . La extensión más favorecida actualmente es el llamado mecanismo de balancín , que explicaría tanto por qué los neutrinos zurdos son tan ligeros en comparación con los leptones cargados correspondientes, como por qué aún no hemos visto ningún neutrino diestro.

números cuánticos de sabor leptónico

A los miembros del doblete de isospín débil de cada generación se les asignan números leptónicos que se conservan bajo el Modelo Estándar. [ 33 ] Los electrones y los neutrinos electrónicos tienen un número electrónico de L e = 1 , mientras que los muones y los neutrinos muónicos tienen un número muónico de L μ = 1 , mientras que las partículas tau y los neutrinos tau tienen un número tauónico de L τ = 1 . Los antileptones tienen los números leptónicos de su respectiva generación de −1. 

La conservación de los números leptónicos implica que el número de leptones del mismo tipo permanece constante cuando las partículas interactúan. Esto significa que los leptones y antileptones deben crearse en pares de una misma generación. Por ejemplo, los siguientes procesos están permitidos bajo la conservación de los números leptónicos:

Cada generación forma un doblete de isospín débil .
γ → e −    + e +,
Z 0 → τ −  + τ +,

pero ninguna de estas:

γ → e −     + μ +,
W − → e −  + ντ ,
Z 0  → μ −  + τ +.

Sin embargo, se sabe que las oscilaciones de neutrinos violan la conservación de los números leptónicos individuales. Esta violación se considera una prueba irrefutable de la existencia de física más allá del Modelo Estándar . Una ley de conservación mucho más fuerte es la conservación del número total de leptones ( L sin subíndice ), que se conserva incluso en el caso de las oscilaciones de neutrinos, pero aun así se ve truncada, aunque en una pequeña medida, por la anomalía quiral .

Universalidad

El acoplamiento de leptones a todos los tipos de bosones de gauge es independiente del sabor: la interacción entre leptones y un bosón de gauge se mide de la misma manera para cada leptón. [ 33 ] Esta propiedad se denomina universalidad leptónica y se ha comprobado en mediciones de las vidas medias del muón y del tau , así como de las anchuras de desintegración parcial del bosón Z , particularmente en los experimentos del Colisionador Lineal de Stanford (SLC) y del Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP). [ 34 ] : 241–243 [ 35 ] : 138

La tasa de decaimiento (Γ{\displaystyle \Gamma }) de muones a través del proceso μ −→ e −+ νe +νμ viene dado aproximadamente por una expresión de la forma (véasela desintegración del muónpara más detalles)[33].

Γ(μ−→mi−+νmi¯+νμ)≈K2GRAMOF2metroμ5 ,{\displaystyle \Gamma \left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)\approx K_{2}\,G_{\text{F}}^{2}\,m_{\mu }^{5}~,}

donde K 2 es una constante y G F es la constante de acoplamiento de Fermi . La tasa de desintegración de las partículas tau a través del proceso τ −→ e −+ νe +ντ viene dado por una expresión de la misma forma[33]

Γ(τ−→mi−+νmi¯+ντ)≈K3GRAMOF2metroτ5 ,{\displaystyle \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)\approx K_{3}\,G_{\text{F}}^{2}\,m_{\tau }^{5}~,}

donde K 3 es alguna otra constante. La universalidad muón-tauón implica que K 2 ≈ K 3 . Por otro lado, la universalidad electrón-muón implica [ 33 ]

0,9726×Γ(τ−→mi−+νmi¯+ντ)=Γ(τ−→μ−+νμ¯+ντ) .{\displaystyle 0.9726\times \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)=\Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow \mu ^{-}+{\bar {\nu _{\mu }}}+\nu _{\tau }\right)~.}

Las razones de ramificación para el modo electrónico (17,82 %) y el modo muónico (17,39 %) de la desintegración del tau no son iguales debido a la diferencia de masa de los leptones del estado final. [ 21 ]

La universalidad también explica la relación entre las vidas medias de los muones y los tau. La vida mediaTℓ{\displaystyle \mathrm {T} _{\ell }}de un leptónℓ{\displaystyle \ell }(conℓ{\displaystyle \ell }= " μ " o " τ ") está relacionado con la tasa de decaimiento por [ 33 ]

Tℓ=B(ℓ−→mi−+νmi¯+νℓ)Γ(ℓ−→mi−+νmi¯+νℓ){\displaystyle \mathrm {T} _{\ell }={\frac {\;{\mathcal {B}}\left(\ell ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\ell }\right)\;}{\Gamma \left(\ell ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\ell}\right)}}\,},

dóndeB(incógnita→y){\displaystyle \;{\mathcal {B}}(x\rightarrow y)\;}denota las proporciones de ramificación yΓ(incógnita→y){\displaystyle \;\Gamma (x\rightarrow y)\;}denota el ancho de resonancia del procesoincógnita→y ,{\displaystyle \;x\rightarrow y~,}con x e y reemplazados por dos partículas diferentes de " e " o " μ " o " τ ".

La relación entre la vida útil del tau y del muón viene dada por [ 33 ].

TτTμ=B(τ−→mi−+νmi¯+ντ)B(μ−→mi−+νmi¯+νμ)(metroμmetroτ)5 .{\displaystyle {\frac {\,\mathrm {T} _{\tau }\,}{\mathrm {T} _{\mu }}}={\frac {\;{\mathcal {B}}\left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)\;}{{\mathcal {B}}\left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)}}\,\left({\frac {m_{\mu }}{m_{\tau }}}\right)^{5}~.}

Utilizando los valores de la Revisión de Física de Partículas de 2008 para las razones de ramificación del muón [ 19 ] y el tau [ 21 ] se obtiene una razón de vida media de ~ 1,29 × 10 −7 , comparable a la relación de vida útil medida de ~ 1,32 × 10 −7 . La diferencia se debe a que K 2 y K 3 no son realmente constantes: dependen ligeramente de la masa de los leptones involucrados.

Pruebas recientes de universalidad leptónica en desintegraciones de mesones B , realizadas por los experimentos LHCb , BaBar y Belle , han mostrado desviaciones consistentes de las predicciones del Modelo Estándar. Sin embargo, la significancia estadística y sistemática combinada aún no es lo suficientemente alta como para afirmar la observación de nueva física . [ 36 ]

En julio de 2021 se publicaron resultados sobre la universalidad del sabor leptónico probando las desintegraciones W, las mediciones anteriores del LEP habían dado un ligero desequilibrio pero la nueva medición de la colaboración ATLAS tiene el doble de precisión y da una relación deRWτ/μ=B(W→τντ)/B(W→μνμ)=0,992±0,013{\displaystyle R_{W}^{\tau /\mu }={\mathcal {B}}(W\rightarrow \tau \nu _{\tau })/{\mathcal {B}}(W\rightarrow \mu \nu _{\mu })=0,992\pm 0,013}, lo cual concuerda con la predicción del modelo estándar de unidad. [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] En 2024, una preimpresión de la colaboración ATLAS publicó un nuevo valor deRWμ/mi=B(W→μνμ)/B(W→miνmi)=0,9995±0,0045{\displaystyle R_{W}^{\mu /e}={\mathcal {B}}(W\rightarrow \mu \nu _{\mu })/{\mathcal {B}}(W\rightarrow e\nu _{e})=0.9995\pm 0.0045}la proporción más precisa hasta ahora para probar la universalidad del sabor leptónico. [ 40 ] [ 41 ]

Tabla de leptones

Véase también

Referencias

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