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什么是轻子？

2016-12-04 07:13阅读：

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什么是轻子？
Article Updated: 1 Dec , 2016
by Matt Williams
什么是轻子？
欧洲核子研究中心可视化显示两个Z玻色子之间撞击产生的两个电子（绿色）、一个到两个μ 介子（红线）。 Credit: CERN
在 19 世纪和20 世纪中，物理学家开始了来深入探讨物质和能量的性质。在这样做时，他们很快就意识到支配它们的规则越深变得越来越模糊。而主要用于那个的理论是所有的物质都由不可分割的原子组成的，科学家们开始了来意识到原子本身甚至是由更小的粒子构成的。
从这些调查中，诞生了粒子物理学的标准模型。按照这个模型，宇
宙中的所有物质都是由两种粒子组成的︰ 强子------从强子来命名大型强子对撞机 (LHC) 的------和轻子。在强子由其它基本的粒子（夸克、 反夸克等）组成的同时，轻子是靠们自己存在的基本粒子。
定义︰
轻子一词来自希腊语的leptos，leptos意味着'小'、'精'或'细'。最早记录使用这个词的是由物理学家利昂·罗森菲尔德在他的书核力（1948 年）中的。在这本书中，他把这一词的使用归到一个由丹麦化学家和物理学家教授克里斯申穆勒的建议。
什么是轻子？
粒子物理学标准模型，显示所有已知的基本粒子。 Credit: Wikipedia Commons/MissMJ/PBS NOVA/Fermilab/Particle Data Group
这个词被选择来指小质量的粒子，因为在罗森菲尔德的时代唯一已知的轻子是 μ介子。这些基本粒子比电子更重200倍，但只有一个质子质量的大约九分之一。与夸克一道， 轻子是物质的基本构造块，因此被视为'基本粒子'。
轻子类型︰
根据标准模型，有六种不同类型的轻子。这些包括电子、μ介子和τ粒子，以及它们相关联的中微子（即电子中微子、μ子中微子和τ粒子中微子）。这些的每个有一个负电荷和一个明显的质量。电子是最轻的，有一个0.000511吉电子伏特(GeV)的质量，而μ介子有一个0.1066 电子伏特和τ粒子 （最重的）有一个 1.777 电子伏特的质量。
不同品种的基本粒子通常被称为'风味'。虽然三个轻子风味的每个是不同的和清楚的（按照它们与其它粒子的相互作用），但它们是不可交互的。一个中微子能更变它的风味，一个被称为'中微子风味振荡'的过程。
这能采取多种形式，其中包括太阳中微子、大气中微子、核反应堆或束振荡。在所有观察到的情况下，振荡被似乎一个创建了的中微子数目的亏空证实。一个观测到的不得不与'μ 介子衰变'（见下文）一道来的原因，一个其中μ介子改变它们的风味来变成电子中微子或τ中微子的过程------ 视情况而定。
什么是轻子？
正由大型强子对撞机显示产生的一种类型的轻子Μ介子 。 Credit: CERN
此外，所有三个轻子和它们的中微子与反粒子 (反轻子)相关联的。对于每个，反轻子有一个同一的质量，但所有其它的属性被逆转。这些配对组成电子-正电子、μ介子/反μ介子、 τ/反τ、 电子中微子/反电子中微子、 μ中微子/反μ中微子和τ中微子/反τ中微子。
目前的标准模型假定在存在中没有超过三种类型（即是'一代'）有它们相关联的中微子的轻子。这符合尝试来模型大爆炸后核合成的过程的实验证据，其中超过三种轻子的存在会已经影响了在早期宇宙中的氦的丰度的。
属性︰
所有轻子拥有一个负电荷。它们也拥有一个以它们自旋形式的内在的旋转，这意味着有一个电荷的电子------ 即'带电轻子'------将产生磁场。它们都能够仅仅通过弱电磁力与其它物质相互作用。最终，它们的电荷确定这些相互作用的强度以及它们怎样对外部电或磁场反应。
然而，没有一个能经由强力与物质交互作用。在标准模型中，每个轻子从没有内在的质量开始的。带电的轻子通过与希格斯场的相互作用获得一个有效的质量，而中微子要么仍然无质量要么只有很小的质量。
历史的研究︰
第一个被辨认的轻子是电子，这是由英国物理学家 J.J.汤姆逊和他的同事在 1897年使用一系列的阴极射线管实验发现的。下一个发现来自于1930 年代，这将导致创造一种类似于电子的弱相互作用的粒子的新的分类。
第一个是由奥地利-瑞士物理学家沃尔夫冈·泡利在 1930 年发现的，他提出了为解决其中β衰变方式中违背了能量守恒法则和牛顿运动定律（特别是动量守恒定律和角动量守恒定律）电子中微子的存在。
正电子和μ介子被卡尔 D.安德斯在1932年和1936年分别发现。由于μ介子的质量，它最初被误认为是一个介子。但由于它的行为（这类似于一个电子）和它并没有经过强相互作用的事实，μ介子被重新分类。随电子和电子中微子一道，它成为了一组新的称为'轻子'粒子的一部分。
1962年，一组美国物理学家------由利昂·莱德曼、梅尔文·舒瓦茨和杰克·斯顿伯格组成------能够来检测μ子中微子的相互作用，从而显示存在不止于一种类型的中微子的。同时，理论物理学家假定了中微子的很多其它风味的存在，这最终被实验证实。
在20世纪70年代跟随了τ粒子，由于由诺贝尔奖获奖物理学家马丁·刘易斯•珀尔和他的同事在 SLAC 国家加速器实验室进行的实验。由于τ衰变的研究它相关的中微子的证据跟着出来了，这显示了缺失的能量和类似于电子的β衰变所造成的丢失的动量和能量。
2000年，由于在费米实验室的直接NUτ试验（DONUT）τ中微子被直接的观测到。这将是直到 2012年为止被观察到的标准模型的最后粒子，当欧洲核子研究中心宣布了它已经检测到一个可能的长久寻求的希格斯玻色子粒子时。
今天，有一些相信有轻子仍在等待被发现的粒子物理学家。这些'第四代'粒子，如果它们是确实存在的，将会超越粒子物理学的标准模型存在，很可能会以甚至更异域的方式与物质相互作用。
我们已经在宇宙今天这里写了很多有关轻子和亚原子粒子的有趣文章。这里是什么是亚原子粒子？什么是重子？大型强子对撞机的第一次碰撞、发现了两个新的亚原子粒子和物理学家或许只是也许确认自然的第五种力的可能发现。
更多的信息，SLAC 的虚拟访客中心有一个轻子的很好介绍，一定要查看粒子物理学的粒子数据组(PDG)的回顾。
天文学集中也有关于这一主题的视频集。这里是第106集︰ 寻找一切的理论和第 393 集︰ 标准模型------轻子和夸克。
Sources:
http://www.universetoday.com/46935/leptons/

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