Lepton

Lepton, temel parçacıklardan birisidir ve maddenin yapı taşıdır. En çok bilinen lepton, atomda bulunarak atomun kimyasal özelliklerini belirleyerek neredeyse tüm kimyayı oluşturan elektrondur. İki temel lepton sınıfı vardır: yüklü leptonlar (ya da elektron benzeri leptonlar olarak da adlandırılır) ve nötr leptonlar (nötrino olarak bilinir). Yüklü leptonlar diğer parçacıklarla birleşerek atom ya da pozitronyum gibi bileşik parçacıklar meydana getirirken nötrinolar diğer parçacıklarla etkileşime girmezler ve bu sebepten algılanmaları çok zordur.
Üç nesil oluşturan ve çeşni adı verilen bilinen altı tip lepton vardır.
İlk nesil leptonlar elektronik leptonlar olarak anılır, elektron ve elektron nötrinosunu;
ikinci nesil müonik leptonlar olarak bilinir, müon ve müon nötrinosunu;
üçüncü nesil ise tauonik leptonlar olarak bilinir, tau ve tau nötrinosunu içerir.
Elektron, yüklü leptonlardan en küçük kütleye sahip olandır. Daha büyük kütlelere sahip olan müonlar ve taular hızlı bir şekilde parçacık bozunumu (daha büyük kütleli bir parçacığın daha küçük kütleli bir parçacığa bozunması) ile elektrona dönüşür. Elektron en istikrarlı olan leptondur ve evrende çoğunlukla bulunan leptondur(tau ve müonlar ancak kozmik ışınlar veya hızlandırıcı çarpışmaları gibi yüksek enerji çarpışmalarında oluşur).
Leptonların elektrik yükü, spin ve kütleyi içeren temel özellikleri vardır. Kuarkların tersine leptonlar güçlü kuvvetin konusu değildir. Leptonlar diğer üç temel kuvvetle (yerçekim kuvveti, elektromanyetik kuvvet (elektrik yükü nötr olan nötrinolar hariç) ve zayıf kuvvet) etkileşime girer. Her bir leptona karşılık gelen karşı-lepton olarak bilinen bir karşı-parçacık vardır. Bunlar leptonlardan sadece bazı özellikleri eş büyüklük zıt işaret şeklinde farklılık gösterir. Ancak bazı belirli teorilerde, nötrinonun kendi karşı-parçacığı olduğunu savunur, ancak bunun doğruluğu hala tartışılmaktadır.
İlk yüklü lepton olan elektron 19. yüzyılın ortalarında teorize edilmiş ve 1897 J. J. Thomson tarafından keşfedilmiştir. İkinci keşfedilen müon 1936'da Carl D. Andeerson tarafından keşfedilmiş, ancak o zaman için yanlış sınıflandırılarak mezon olarak anılmıştır. Yapılan incelemelerden sonra mezonların özelliğini taşımadığı, daha çok elektron gibi davrandığını, sadece daha ağır bir kütleye sahip olduğu ortaya çıkmıştır. 'Leptonlar'ın bir aile olarak kabul edilişi 1947'ye kadar sürmüştür. İlk nötrino elektron nötrinosu 1930'da Wolfgang Pauli tarafından beta bozunmasını açıklamak için öngörülmüştür. Bu nötrino ilk defa Cylde Cowan ve Frederick Reines tarafından yapılan Cowan-Reines nötrino deneyinde bulgulanmıştır. Müon nötrinosu 1962'de Leon M. Lederman, Melvin Schwartz ve Jack Steinberger tarafından ve tau nötrinosu 1974 ile 1977 arsında Martin Lewis Perl ve işbirlikçileri Stanfor Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı tarafından keşfedilmiştir. Tau nötrinosu Fermilab'daki DONUT işbirliği Temmuz 2000'de keşfini duyurana kadar algılanamamıştır.
Leptonlar Standart Model'de önemli bir yer tutar. Elektron, proton ve nötron yanında atomun bir parçasıdır. Lepton karşı lepton birleşimi pozitronyum gibi elektron yerine tau veya müonun olduğu egzotik atomlar da oluşturulabilir.
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.
Özellikler
Spin ve kıralite
Leptonlar 1⁄2 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 kiralitedir. 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.
Elektromanyetik etkileşim
Leptonların en baskın özelliklerinden birisi elektrik yüküdür, Q. Yükün büyüklüğü elektromanyetik etkileşimin etkisini belirler. Parçacığın yükü ürettiği elektrik alanın gücünü (Coulomb yasasına bakınız) ve dış bir elektrik ya da manyetik alanla etkileşme gücünü(Lorentz kuvvetine bakınız) belirler. Tüm nesiller Q= -1 (geleneksel olarak bir parçacığın yükü temel yük biriminde ifade edilir) olan bir lepton ve yükü sıfır olan bir lepton içerir. Yüklü lepton genel olarak "yüklü artı lepton" ve yüksüz olan lepton ise nötrino olarak anılır. Örneğin birinci nesil negatif yüklü olan e- ve yüksüz olan νe içerir.
Kuantum alan teorisinde yüklü bir parçacığın elektromanyetik etkileşimi yüklü parçacığın elektromanyetik alanın kuantumu olan fotonla etkileşmesi olarak ifade edilir.
Leptonların spin şeklinde içkin bir dönmeleri olduğundan, yüklü leptonlar manyetik alan üretir. Manyetik dipol momenti μ'nün büyüklüğü:
,
m, leptonun kütlesi; g leptonun g-faktörüdür. Kuantum mekaniğinin birinci derece yaklaşımı g faktörünün tüm leptonlar için 2 olduğunu kabul eder. Ancak daha yüksek derecede kuantum etkileri Feymann diyagramındaki döngülerden dolayo değerde düzeltme yapar. Anormal manyetik dipol momenti olarak anılan bu değerdeki düzeltme kuantum alan teorisinden çok etkilenir ve standart modelin doğruluğunu kontrol etmek için kullanılabilir. Teorik ve deneysel anarmol manyetik dipol momenti değerleri anlamlı sekis figure kadar tutarlıdır.
Zayıf etkileşim
Standart modelde sol-yönlü yüklü lepton ile sol-yönlü nötrino, zayıf izospin SU(2) ayar simetrisinin spinöruna (T=1/2) dönüşen ikili(νeL, eL-) olarak düzenlenir. Bunun anlamı, bu parçacıklar sırasıyla izospin yansıması T3 'ün 1/2 ve -1/2 öz-değerleriyle öz-düzenleridir. Sağ-yönlü nötrinolar yoktur, ancak sağ-yönlü leptonlar zayıf izospin sabitine (T=0) dönüşür ve bunlar zayıf kuvvetle etkileşime girmezler.
Higgs mekanizması zayıf izospin SU(2) ayar alanı ile zayıf aşırı yük SU(1) simetrisini bileştirerek zayıf etkileşimi sağlayan üç kütleli bozon vektörü (W+, W-, Z0) ve elektromanyetik etkileşime sebep olan kütlesiz bir bozon, foton, kabul eder. Elektrik yükü Q'''yüz hesaplamada izospin yansıması T3 ve zayıf aşırı yük YW ile Gell-Mann-Nishijina formülünün yardımıyla hesaplanabilir. Q = T3 + YW/2
Gözlenmiş tüm yüklü parçacıkları açıklayabilmek için sol-yönlü zayıf izospin ikilisinde (νeL, eL- YW= -1 olmalısı gerekirken, sağ-yönlü izospin sabiti e-R 'nin YW= -2 olması gerekir.
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.
Leptonik sayılar
Standart modelde her neslin zayıf izospin ikilisine değişmeyen birer leptonik sayı atar. Elektron ve elektron nötrinosunun elektronic sayı Le =1; müon ve müon nötrinosunun müonik sayı Lμ =1; tau ve tau nötrinosunun tauyik sayı Lτ =1 vardır. Her nesle karşılık gelen karşı-leptonların da -1 leptonik sayıları vardır.
Leptonik sayıların korunumu, parçacıklar etkileştiğinde ayna nesle ait lepton sayısının sabit kaldığı anlamına gelir. Bu lepton ve karşı-leptonların bir nesilde çift olarak yaratıldığını ifade eder. Örneğin aşağıdaki süreçler leptonik sayıların korunumu dahilinde gerçekleşebilir:
e- + e+ = Y+Y,
τ-+τ+ = Z0+Z0,
ancak aşağıdakiler gerçekleşemez:
Y= e-+μ+,
W-=e-+ντ,
Z0=μ-+τ+.
Ancak nötrino salınımının tek olarak leptonik sayıların korunumunu ihlal ettiği biliniyor. Bu ihlal standart modelin ötesinde bir fiziğin olması ihtimali için önemli bir göstergedir. Topalm lepton sayısı (L) korunumu daha geçerli bir yasadır; ancak bu da kısmi olarak kiral anarmallik tarafından ihlel edilir.
Evrensellik
Leptonlar ile ayar bozonu arasındaki çiftleşme çeşni den bağımsızdır(etkileşimleri tüm leptonlar için aynıdır). Bu özelliğe lepton evrenselliği adı verilir ve özellikle Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi ve büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısı deneylerinde müon ve taunun yaşam süresini ve Z bozonunun kısmi bozunma genişliğini test etmek için kullanılmaktadır.
Müonun [[μ-]]=[[e-]]+[[~νe]]+[[νμ]] sürecindeki bozunma oranı (Γ) için yaklaşık olarak şu ifade verilebilir (daha ayrıntılı bilgi için müon bozunmasına bakınız):
K1 bir sabit, GF Fermi eşleşme sabiti. Taunun [[τ-]]=[[e-]]+[[~νe]]+[[νμ]] sürecindeki bozunma oranı aynı şablondaki bir ifadeyle verilir:
K2 bir sabit. Elektron-müon evrenselliği K1=K2 getirir:

Bu tau bozunmasının elektron modu (%17.85) ve müonik mode (%17.36) için dallanma oranı (küçük bir hatayla) eşit olamsını açıklar. Bir leptonun (τ1) yaşam süresi ile bozunma oranı arasındaki ilişki:
B(x - y) ve Γ(x - y) dallanma oranı ve x - y sürecindeki resonans aralığı.
Tau ve müon yaşam süresi oranı:
2008 Parçacık Fiziği İncelemesi'nin değerleri göz önüne alındığında mau ve tau yaşam süresi oranı ~1.29x10−7 olarak bulunur. Ölçülmüş yaşam süresi oranı ~1.31x10-7 karşılaştırıldığında K1 ve K2 sabit olmadıkları, leptonun kütlesine bağlı olduğu görülmektedir.
Leptonlar tablosu