Lepton

Etimolojisi

Lepton ismi 'ufak, küçük şey' anlamına gelen Yunanca "λεπτόν" (lepton)(cinsiyetsiz hali "λεπτός" (leptos)) kelimesinden gelmektedir. Lepton ilk olarak 1948'de fizikçi Léon Rosenfeld tarafından kullanılmıştır.

Tarihçe

İlk lepton 1897'de J. J. Thomson ve İngiliz ekibi tarafından keşfedilmiştir. Ardından 1930'da Wolfgang Pauli tarafından beta bozunmasında enerjinin korunumu, momentumun korunumu ve açısal momentumun korunumunu sağlamak için elektron-nötrinosunu öngörülmüştür. Pauli giren ve çıkan parçacıklar arasındaki enerji, momentum ve açısal momentum farkını taşıyan bir parçacığın varlığını öngörmüştür. Elektron-nötrinosu o zamanlar nötrino çeşnileri (ya da "nesil"leri) olup olmadığı bilinmediğinden sadece nötrino olarak adlandırılmıştı.
Elektronun keşfinden 40 yıl sonra, 1936'da Carl D. Anderson, müonu keşfetti. Kütlesinden dolayı bunu lepton yerine önce mezon olarak sınıflandırıldı. Daha sonrasında müonun mezondan çok elektron gibi davrandığı keşfedildi, çünkü müon güçlü kuvvetle etkileşmez. Bunun ardından elektron, müon ve elektron-nötrinosu, lepton olarak sınıflandırıldı. Öncesinde teorik olarak tahmin edilse de, nötrino çeşnisi olduğu ancak 1962'de Leon M. Ledeman, Melvin Schwartz ve Jack Steinberger tarafından müon-nötrinosunun keşfiyle kanıtlanmış ve bilimadamları bu çalışmaları sayesinde 1988'de Nobel Ödülü'nü almıştır.
Tau ilk olarak 1974 ve 1977 arasında Martin Lewis Perl ve SLAC LBL grubundaki iş arkadaşları tarafından yapılan bir dizi deneyde keşfedilmiştir. Tıpkı elektron ve müonda olduğu gibi tauya da karşılık gelen bir nötrinonun varlığı tahmin edilmiştir. Tau-nötrinosunun varlığı ile ilgili ilk ipucu, tıpkı elektron-nötrinosunu bulmada yol göstermiş olan tau bozunumundaki eksik enerji ve momentum oldu. Tau-nötrinosunun ilk algılanışını Fermilab'daki DONUT işbirliği tarafından 2000'de yapıldı ve standart modelin doğrudan gözlemlenebilen son parçacığı oldu.
Mevcut verilerin tamamı üç lepton nesli olduğunu tutarlı biçimde göstermesine rağmen, bazı parçacık fizikçileri dördüncü bir neslin olduğu görüşünü savunnur. Bu dördüncü nesil leptonun kütlesi için alt sınır 100.8 GeV/c² ve ona karşılık gelen nötrinonun kütlesi için alt sınır 45.0 GeV/c² olarak öngörülüyor.

Spin ve kıralite

Leptonlar ½ spine sahiptir, bu sebepten fermiyondurlar ki bu onları Pauli dışlama ilkesine uymaları gerektiği anlamına gelir: aynı türe ait iki lepton tam olarak aynı seviyeye sahip olamaz.Bunun anlamı leptonların sadece iki farklı spine sahip olabilirler, aşağı ya da yukarı.
Diğer ilişkilei bir özellikte sarmallıkla ilişkili olan kıralitedir.Parçacığın sarmallığı, spininin momentumuna göre durumuyla belirlenir: momentumuyla aynı yönde spine sahip parçacıklar sağ-yönlü sarmallığa, tersi durumda sol-yönlü sarmallığa sahiptir.Eğer bir parçacık kütlesiz ise spinine göre momentumunun yönü bağımsızdır; ancak kütleli parçacıklarda momentumun yönü baskın gelerek  Lorentz dönüşümleriyle sarmallığı çevirebilir.Kıralite teknik bir terimdir(Poincare grubu altında dönüşüm davranışı üzerinden tanımlanır), kütlesiz parçacıkların sarmallığına yakınsar ve kütleli parçacıkların sarmallığını açık bir şekilde tanımlar.
Birçok kuantum alan teorisinde - kuantum elektrodinamiği ve kuantum renk dinamiği gibi- sol-yönlü ve sağ-yönlü olması eştir. Ancak standart modelde sağ-yçnlü ve sol-yönlü olanlar karşı-simetrik olarak davranırlar.Sadece sol-yönlü fermiyonlar zayıf kuvvetle ortaklaşırken, sağ-yönlü nötrino yoktur. Bunlar denklik ihlaline örnektir.Literatürde sol-yönlü alan L alt indisi ile, sağ-yönlü ise R alt indisi ile gösterilir.

Kütle

Standart modelde leptonlar içkin bir yükü olmadan başlar. Yüklü leptonlar (elektron, müon ve tau) Higgs alan ile etkileşimlerinde kütle kazanırken, nötrinolar yüksüz kalmaya devam ederler. Nötrinoların yüksüz kalması farklı nesillerin karışarak kuark oluşturmaması anlamına gelir. Bu güncel verilerle tutarlıdır.
Ancak yapılan deneylerde -çoğunlıkla nötrino salınımı deneylerinde- nötrinonun 2 [[eV/c²]]'den az çok küçük bir kütlesi olduğunu göstermektedir. Bu standart modelin ötesinde de bir fizik olduğunun ipucunu verir. Şu an için en geçerli olan yaklaşım Seesaw mekanizması sol-yönlü nötrinoların karşılık geldikleri leptonlara göre neden çok küçük kütlelere sahip olduğunu ve neden sağ-yönlü nötrinoların gözlemlenmediğini açıklayabilmektedir.