מהם לפטונים?

Send

במהלך המאות ה -19 וה -20 החלו הפיזיקאים להתעמק בטבע החומר והאנרגיה. בכך הם הבינו במהרה שהכללים השולטים בהם הופכים מטושטשים יותר ויותר ככל שמקובל. בעוד שבעבר התיאוריה השלטת הייתה שכל החומר מורכב מאטומים בלתי ניתנים לחלוקה, מדענים החלו להבין שהאטומים עצמם מורכבים מחלקיקים קטנים עוד יותר.

מחקירות אלה נולד המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. על פי מודל זה, כל החומר ביקום מורכב משני סוגים של חלקיקים: הדרונים - מהם הגדול הדרדר קולידר (LHC) מקבל את שמו - ולפטונים. כאשר ההדרונים מורכבים מחלקיקים אלמנטריים אחרים (קווארקים, אנטי-קווארקים וכו '), הלפטונים הם חלקיקים אלמנטריים הקיימים בעצמם.

הגדרה:

המילה לפטון באה מיוונית לפטואיםשמשמעותה "קטנה", "בסדר" או "רזה". השימוש המוקלט הראשון במילה היה על ידי הפיזיקאי לאון רוזנפלד בספרוכוחות גרעיניים (1948). בספר הוא ייחס את השימוש במילה להצעה שהגיש הכימאי והפיזיקאי הדני פרופ 'כריסטיאן מולר.

המונח נבחר להתייחס לחלקיקים בעלי מסה קטנה, מכיוון שהלפטונים היחידים הידועים בתקופתו של רוזנפלד היו מואונים. החלקיקים היסודיים הללו הם מאסיביים פי מאסיבי מאשר אלקטרונים, אך הם מכסים בערך תשיעית מהמסה של פרוטון. יחד עם הקווארקים, הלפטונים הם אבני הבניין הבסיסיות של החומר, ולכן הם רואים "חלקיקים יסודיים".

סוגים של לפטונים:

על פי הדגם הסטנדרטי, ישנם שישה סוגים שונים של לפטונים. אלה כוללים את חלקיקי האלקטרון, המואון והטאו, כמו גם הנייטרינים הנלווים אליהם (כלומר אלקטרונים נייטרינו, נויטרינו מואון וטייטרנו). ללפטונים יש מטען שלילי ומסה מובחנת, ואילו לנייטרינו שלהם יש מטען ניטרלי.

אלקטרונים הם הקלים ביותר, עם מסה של 0.000511 ג'יגה-אלקטרו-וולטים (GeV), בעוד שלמואונים יש מסה של 0.1066 חלקיקי Gev וטאו (הכבד ביותר) יש מסה של 1.777 גב. הזנים השונים של החלקיקים האלמנטריים נקראים בדרך כלל "טעמים". בעוד שכל אחד משלושת טעמי הלפטון הם שונים ומובחנים (מבחינת האינטראקציות שלהם עם חלקיקים אחרים), הם אינם ניתנים לשינוי.

נייטרינו יכול לשנות את טעמו, תהליך המכונה "תנודת טעם נייטרינו". זה יכול ללבוש מספר צורות, הכוללות נייטרינו סולארי, נייטרינו אטמוספרי, כור גרעיני או תנודות קרן. בכל המקרים שנצפו, התנודות אושרו על ידי מה שנראה כגירעון במספר הנייטרינים שנוצרו.

סיבה אחת שנצפתה קשורה ל"דעיכה של מיאון "(ראו בהמשך), תהליך בו מאונים משנים את טעמם להפוך לנייטרינים אלקטרוניים או נייטרינו טאו - תלוי בנסיבות. בנוסף, לכל שלושת הלפטונים ולנייטרינו שלהם יש אנטי-חלקיקים (אנטילפטון) קשור.

אצל כל אחד מהאנטילפטונים יש מסה זהה, אך כל המאפיינים האחרים מתהפכים. זיווגים אלו מורכבים מאלקטרון / פוזיטרון, מואון / אנטימואון, טאו / אנטיטאו, אנטיוטרינו אלקטרון / אלקטרונים, אנטיוטרינו מיואן נייטרינו / מואן ואנטינוטררינו טאו נייטרינו / טאו.

המודל הסטנדרטי הנוכחי מניח כי לא קיימים יותר משלושה סוגים (המכונים "דורות") של לפטונים עם נויטרנוס הקשורים אליהם. זה מתייצב עם עדויות ניסיוניות שמנסות לדגמן את תהליך הגרעין לאחר המפץ הגדול, שם קיומם של יותר משלושה לפטונים היה משפיע על שפע ההליום ביקום המוקדם.

נכסים:

לכל הלפטונים יש מטען שלילי. יש להם גם סיבוב מהותי בצורת הסיבוב שלהם, מה שאומר שאלקטרונים עם מטען חשמלי - כלומר "לפטונים טעונים" - יפיקו שדות מגנטיים. הם מסוגלים ליצור אינטראקציה עם חומר אחר רק אם כן כוחות אלקטרומגנטיים חלשים. בסופו של דבר המטען שלהם קובע את חוזק האינטראקציות הללו, כמו גם את חוזק השדה החשמלי שלהם וכיצד הם מגיבים לשדות חשמליים או מגנטיים חיצוניים.

אף אחד מהם אינו מסוגל לקיים אינטראקציה עם חומר באמצעות כוחות חזקים, עם זאת. במודל הסטנדרטי, כל לפטון מתחיל ללא מסה מהותית. לפטונים טעונים משיגים מסה יעילה באמצעות אינטראקציות עם שדה היגס, ואילו נייטרינים נותרו נטולי מסה או שיש להם רק המונים קטנים מאוד.

תולדות המחקר:

הלפטון הראשון שזוהה היה האלקטרון, שהתגלה על ידי הפיזיקאי הבריטי ג'יי ג'יי. תומסון ועמיתיו בשנת 1897 השתמשו בסדרה של ניסויים בצינור קרני קתודי. התגליות הבאות הגיעו במהלך שנות השלושים, מה שיוביל ליצירת סיווג חדש לחלקיקים בעלי אינטראקציה חלשה הדומים לאלקטרונים.

את התגלית הראשונה גילה הפיזיקאי האוסטרי-שוויצרי וולפגנג פאולי בשנת 1930, שהציע את קיומו של הנייטרינו האלקטרוני במטרה לפתור את דרכי התפרקות בטא בניגוד לחוק שימור האנרגיה, וחוקי התנועה של ניוטון (ספציפית שימור מומנטום ושימור מומנטום זוויתי).

הפוזיטרון והמואון התגלו על ידי קרל ד. אנדרס בשנת 1932 ו -1936, בהתאמה. בגלל המסה של המואון, לראשונה זה טעה במזון. אך בשל התנהגותו (שדמתה להתנהגות של אלקטרון) והעובדה שהוא לא עבר אינטראקציה חזקה, המואון סווג מחדש. יחד עם האלקטרון והנייטרינו האלקטרוני הוא הפך לחלק מקבוצה חדשה של חלקיקים המכונים "לפטונים".

בשנת 1962 הצליח צוות פיזיקאים אמריקאים - המורכב מליאון לדרמן, מלווין שוורץ וג'ק שטיינברגר - לזהות אינטראקציות מצד נויטרנו המואון, וכך הראה כי קיימים יותר מסוג נייטרינו. במקביל, פיזיקאים תיאורטיים הניחו את קיומם של טעמים רבים אחרים של נייטרינים, שבסופו של דבר יאושרו בניסוי.

חלקיק הטאו התרחש בשנות השבעים, הודות לניסויים שערכו הפיזיקאי זוכה פרס נובל מרטין לואיס פרל ועמיתיו במעבדת המאיץ הלאומי של SLAC. עדויות לנייטרינו הנלווים אליו הגיעו הודות למחקר של ריקבון טאו, שהראה אנרגיה ותנופה חסרים באופן מקביל לאנרגיה החוצה ותנופה שנגרמה בגלל ריקבון בטא של אלקטרונים.

בשנת 2000 נצפה ישירות הניטרינו של הטאו באמצעות התצפית הישירה של ניסוי ה- NU Tau (DONUT) בפרמילאב. זה יהיה החלקיק האחרון של הדגם הסטנדרטי שנצפה עד 2012, אז הודיעה CERN כי זיהתה חלקיק שהוא ככל הנראה היגס בוסון המבוקש.

כיום ישנם כמה פיזיקאים של חלקיקים המאמינים כי ישנם לפטונים שעדיין מחכים להימצא. חלקיקי "הדור הרביעי" הללו, אם הם אכן אמיתיים, היו קיימים מעבר למודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, וככל הנראה יתקשרו עם חומר בדרכים אקזוטיות עוד יותר.

כתבנו מאמרים מעניינים רבים על לפטונים וחלקיקים תת אטומיים כאן במגזין החלל. הנה מה הם חלקיקים תת-אטומיים ?, מהם בריונים ?, התנגשויות ראשונות של ה- LHC, שני חלקיקים תת-אטומיים חדשים שנמצאו, ופיזיקאים אולי, רק אולי, מאשרים את התגלית האפשרית של כוח הטבע החמישי.

למידע נוסף, במרכז המבקרים הווירטואלי של SLAC היכרות טובה עם לפטונים והקפידו לבדוק את סקירת קבוצת החלקיקים (PDG) על פיזיקת החלקיקים.

לאסטרונומיה קאסט יש גם פרקים בנושא. הנה פרק 106: חיפוש אחר תאוריית הכל, ופרק 393: המודל הסטנדרטי - לפטונים וקווארקים.

מקורות: