轻子

轻子（Lepton）是一种不参与强相互作用、自旋为1/2的基本粒子。电子是最为人知的一种轻子；大部分化学领域都会涉及到与电子的相互作用，原子不能没有它，所有化学性质都直接与它有关。轻子又分为两类：“带电轻子”与“中性轻子”。带电轻子包括电子、缈子、陶子，可以与其它粒子组合成复合粒子，例如原子、电子偶素等等。在所有带电轻子中，电子的质量最轻，也是宇宙中最稳定、最常见的轻子；质量较重的缈子与陶子会很快地衰变成电子，缈子与陶子必须经过高能量碰撞制成，例如使用粒子加速器或在宇宙线探测实验。中性轻子包括电中微子、缈中微子、陶中微子；它们很少与任何粒子相互作用，很难被观测到。

轻子一共有六种风味，形成三个世代。第一代是电轻子，包括电子（Electron-）与电中微子 （Electron neutrino）。第二代是缈轻子，包括缈子（Muon-）与缈中微子 （Muon neutrino）。第三代是陶轻子，包括陶子（Tau-）与陶中微子（Tau neutrino）。

轻子拥有很多内秉性质，包括电荷、自旋、质量等等。轻子与夸克有一点很不相同：轻子不会感受到强作用力。轻子会感受到其它三种基础力：引力、弱作用力、电磁力。但是，由于中微子的电性是中性，中微子不会感受到电磁力。每一种轻子风味都有其对应的反粒子，称为“反轻子”。带电轻子与对应的反轻子唯一不同之处是带有电荷的正负号相反。根据某些理论，中微子是自己的反粒子，但这论点尚未被证实。

在标准模型里，轻子扮演重要角色，电子是原子的成分之一，与质子、中子共同组成原子。在某些被合成的奇异原子里，电子被更换为缈子或陶子。像电子偶素一类的轻子-反轻子粒子也可以被合成。

## 词源学

英文术语“lepton”源自希腊语“λεπτόν”（leptón），是“λεπτός”（leptós）的中性，含意为"小、薄"。莱昂·罗森菲尔德于1948年最先为英文术语“lepton”命名。

在克理斯蒂安·莫勒教授的建议之后，决定用“lepton”（从“λεπτός”，小、薄）这字来称呼一种小质量的粒子。

这命名不正确地假定所有轻子的质量都很小。在洛森斐命名那时，学术界只知道有电子与缈子两种轻子。它们的质量的确很小，电子的质量为0.511MeV，缈子的质量为105.7MeV，比质子的质量938.3MeV轻很多。可是，在1970年代中期发现的陶子，它的质量是1777MeV，几乎是质子的两倍。

## 历史

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最先被辨识的轻子是电子，英国物理学者约瑟夫·汤姆森与实验团队于1897年发现电子。

1930年，沃尔夫冈·包立大胆假设电中微子存在，这是为了解释β衰变的能量缺失问题，挽救能量守恒定律；包立认为，所有最初与最终观察到的粒子的能量差，都被一种尚未探测到的粒子带走了，这粒子具有电中性，不会留下轨迹，所以很难探测到。三年后，恩里科·费米给出理论，成功描述β衰变，强力支持包立的假设。费米将这粒子命名为“中微子”，意思为“微小的中子”。在那时期，电中微子被称为中微子，因为尚未发现其它世代的中微子。1956年，克莱德·科温与弗雷德里克·莱因斯共同完成科温-莱因斯中微子实验首先直接观察到中微子的存在。

在电子被发现大约40年之后，卡尔·安德森于1936年发现了缈子。由于它的质量，缈子最初被归类为介子，而不是轻子。渐渐地，学者发觉缈子的性质更接近电子，只是质量比较大，而且缈子不会感受到强相对作用，不具有介子的性质。1947年，才有学者开始提议一群粒子被归类为轻子的概念。后来，缈子被重新归类，缈子、电子与电中微子一起被归类为轻子。1962年 利昂·莱德曼、梅尔文·施瓦茨与杰克·施泰因贝格尔做实验直接探测到缈中微子，证实不只一种中微子存在。

马丁·佩尔与他的实验团队于1975年完成实验首先探测到陶子。如同电子与缈子，物理学者认为它应该也有伴随的中微子，这是因为他们观察到类似β衰变的缺失能量问题。费米实验室的直接观察陶中微子实验（Direct Observation of the NU Tau，DONUT）团队于2000年探测到陶中微子参与作用的证据。

虽然现有数据符合三个世代的轻子，有些粒子物理学者仍在寻找第四代带电轻子。这种带电轻子的质量下限为100.8GeV，伴随它的中微子最少应该带有质量45.0GeV。

## 性质

### 自旋与手征性

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轻子是自旋1粒子，只能处于两种自旋态：上旋或下旋。自旋统计定理将它们按照自旋归类为费米子，遵守包立不相容原理，因此任何两个全同的轻子不能同时占有相同的量子态。

手征性与螺旋性（helicity）是与自旋紧密相关的两种性质，螺旋性跟粒子的自旋与动量之间的相对方向有关；假若是同向，则粒子具有右手螺旋性，否则粒子具有左手螺旋性。对于不带质量粒子，这相对方向与参考系无关，可是，对于带质量粒子，由于可以借着洛伦兹变换来改换参考系，从不同的参考系观察，粒子动量不同，因此翻改螺旋性，可以从右手螺旋性翻改为左手螺旋性，或从左手螺旋性翻改为右手螺旋性。手征性是通过庞加莱群（Poincaré group）的变换来定义的性质。对于不带质量粒子，手征性与螺旋性一致；对于带质量粒子，手征性与螺旋性有别。

在很多量子场论里，例如量子电动力学与量子色动力学，并没有对左手与右手费米子作任何区分，可是，在标准模型的弱相互作用理论里，按照手征性区分的左手与右手费米子被非对称地处理，只有左手费米子参与弱相互作用，右手中微子不存在。这是宇称违反的典型例子。

### 电磁相互作用

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轻子的电荷$Q$决定了它所产生的电磁场，也决定了它怎样响应外电磁场。轻子的每个世代的组员都有一个带电轻子$Q=-1$与一个中性轻子$Q=0$，例如，第一代轻子为电子electron与电中微子electron neutrino。

使用量子场论的语言，带电轻子所涉及的电磁相互作用表达为这轻子与电磁场的量子（光子）彼此之间的相互作用。右图是电子-光子相互作用的费曼图。

由于轻子具有自旋，带电轻子会产生磁场，磁偶极矩$\mu$为

$\mu = g \frac{ Q e \hbar}{4 m}$。

其中，$m$是轻子的质量，$g$是轻子的g-因数（g-factor）。

一阶近似量子力学预测，对于所有轻子，g-因数为2；可是高阶量子效应，因为费曼图里的虚粒子圈对于这数字给出修正。这些修正，称为反常磁偶极矩（anomalous magnetic dipole moment），对于量子场论模型的细节非常敏感，因此是准确检验标准模型的好机会。对于电子测量其反常磁偶极矩所得到的实验数值符合理论结果至8个有效数字。

### 弱相互作用

第一代轻子的弱相互作用。

在标准模型里，轻子可以按照手征性分为左手轻子与右手轻子；左手轻子的弱同位旋T为1，左手带电轻子与左手中微子的弱同位旋投影（弱同位旋的第三分量）T3分别为-1、+1，弱相互作用是由它们组成二重态（doublet state）(electron neutrinoL, electronL)共同实现；右手带电轻子的弱同位旋T为0，形成单态，不参与弱相互作用；右手中微子并不存在。

希格斯机制将弱同位旋SU(2)与弱超荷U(1)对称的四个规范场，重新组合成传递弱相对作用的三个带质量玻色子 （W boson+、W boson-、Z boson0）与传递电磁相对作用的不带质量玻色子（光子）。通过盖尔曼-西岛方程，可以从弱同位旋投影T3与弱超荷YW计算出电荷Q：

$Q = T_3+ Y_W/2$。

为了符合观察到的任何粒子所带有的电荷，所有左手弱同位旋二重态(electron neutrinoL, electronL)的弱超荷YW必须为-1，而右手弱同位旋单态(electronR)的弱超荷YW必须为-2。

### 质量

在标准模型里，每一个轻子原本不具有内秉质量；通过与希格斯场耦合，带电轻子获得有效质量，但中微子仍旧不带质量，这意味着不同世代的带电轻子不会相互混合，与夸克的物理行为大不相同。这结果符合当今实验数据。

但是，从实验中得知（最显著的是中微子振荡实验），中微子实际带有微小质量，大约小于2eV。这意味着后标准模型 （beyond the Standard Model）的物理现象。当今最被物理学者青睐的理论延伸是翘翘板机制，它可以解释为什么左手中微子的质量远轻于对应的带电轻子，为什么做实验尚未能观察到任何右手中微子。

### 轻子数

每一代轻子的成员组成一个弱同位旋二重态：

$\binom{\nu_e}{e^-}$、$\binom{\nu_{\mu}}{\mu^-}$、$\binom{\nu_{\tau}}{\tau^-}$。

每一代弱同位旋二重态的成员都被分派一个轻子数。在标准模型里，轻子数守恒。电子与电中微子的电子数Le为1。缈子与缈中微子的缈子数Lμ为1。陶子与陶中微子的陶子数Lτ为1。反轻子的轻子数为对应轻子的轻子数乘以−1。

轻子数守恒的意思就是同类轻子数的代数和保持不变。当粒子耦合时，这意味着只有同一代的轻子与反轻子才能成对产生。例如，以下过程是被允许的：

Electron + Antielectron → Photon + Photon。

Tau + Antitau → Z boson0 + Z boson0。

以下过程是不被允许的：

Photon → Electron + Antimuon。

W boson- → Electron + Tau neutrino。

Z boson0 → Muon + Antitau。

但是，中微子振荡违反单独轻子数守恒，这是后标准模型物理的确凿证据。更强的守恒定律是总轻子数守恒。中微子振荡遵守总轻子数守恒。但是，手征反常稍微违反了这守恒定律。

## 普适性

轻子与对应的中微子之间的相互作用与风味无关，换句话说，对于电子与电中微子之间的相互作用、缈子与缈中微子之间的相互作用、陶子与陶中微子之间的相互作用，假若将质量差别纳入考量，则这三种相互作用的效应相等。这性质称为轻子相互作用的“普适性”。所有已知实验数据与这种普适性一致做实验测量陶子与缈子的平均寿命，或Z玻色子衰变为轻子的部分衰变宽度，可以检验这性质。在大型正负电子对撞机与史丹福直线加速器里，完成了很多这类检验普适性的实验。

对于过程muon- → electron- + electron antineutrino + muon neutrino，缈子的衰变率$\Gamma$以方程式表示为（更详尽内容，请参阅缈子衰变）

$\Gamma \left ( \mu^- \rarr e^- + \bar{\nu_e} +\nu_\mu \right ) = K_1G_F^2m_\mu^5$。

其中，$K_1$是常数，$G_F$是费米耦合常数，$m_\mu$是缈子的质量。

对于过程tau- → electron- + electron antineutrino + tau neutrino，陶子的衰变率$\Gamma$以同样形式的方程式表示为

$\Gamma \left ( \tau^- \rarr e^- + \bar{\nu_e} +\nu_\tau \right ) = K_2G_F^2m_\tau^5$。

其中，$K_2$是常数，$m_\tau$是陶子的质量。

缈子-陶子普适性意味着$K_1=K_2$。普适性也能够解释缈子寿命与陶子寿命之间的关系。轻子的寿命$L_l$与衰变率$\Gamma$之间的关系为

$L_l=\frac{1}{\Gamma_{total}}=\frac{B \left ( l^- \rarr e^- + \bar{\nu_e} +\nu_l \right )}{\Gamma \left ( l^- \rarr e^- + \bar{\nu_e} +\nu_l \right )}$。

其中，$B(x \rarr y)$与$\Gamma(x \rarr y)$分别标记过程$x \rarr y$的分支比与共振宽度。

陶子与缈子的寿命比因此为

$\frac{L_\tau}{L_\mu} = \frac{B \left ( \tau^- \rarr e^- + \bar{\nu_e} +\nu_\tau \right )}{B \left ( \mu^- \rarr e^- + \bar{\nu_e} +\nu_\mu \right )}\left (\frac{m_\mu}{m_\tau}\right )^5$。

从实验获得的缈子分支比与陶子分支比，可以计算出寿命比为大约1.328×10^-7，实验测量得到的寿命比为 ~1.323×10^-7。两者之差异是因为$K_1$、$K_2$实际并不是常数，它们与轻子的质量有关。

另外，由于电子-缈子普适性，陶子衰变为电子的分支比(17.85%) 与衰变为缈子的分支比 (17.36%) 相同（在误差范围内）：

$\Gamma \left ( \tau^- \rarr e^- + \bar{\nu_e} +\nu_\tau \right ) = \Gamma \left ( \tau^- \rarr \mu^- + \bar{\nu_\mu} +\nu_\tau \right )$。

## 轻子列表

粒子／反粒子名字｜符号｜电荷 (e)｜自旋｜Le｜Lμ｜Lτ｜质量（MeV）｜寿命 (秒)｜通常衰变

电子 / 正子｜Electron/Positron｜−1/+1｜1｜+1/−1｜0｜0｜0.510998910(13)｜稳定｜稳定

缈子 / 反缈子｜Muon/Antimuon｜−1/+1｜1｜0｜+1/−1｜0｜105.6583668(38)｜2.197019×10^-6(21)｜electron- + electron antineutrino + muon neutrino

陶子 / 反陶子｜Tau/Antitau｜−1/+1｜1｜0｜0｜+1/−1｜1776.84(17)｜2.906×10^-13(10)｜https://pdg.lbl.gov/2008/listings/s035.pdf

电中微子 / 反电中微子｜Electron neutrino/Electron antineutrino｜0｜1｜+1/−1｜0｜0｜< 0.0000022｜未知

缈中微子 / 反缈中微子｜Muon neutrino/Muon antineutrino｜0｜1｜0｜+1/−1｜0｜< 0.17｜未知

陶中微子 / 反陶中微子｜Tau neutrino/Tau antineutrino｜0｜1｜0｜0｜+1/−1｜< 15.5｜未知

## 参阅

- 粒子列表
- 夸克

## 基本资料

- 类型：6 （电子、电中微子、缈子、缈中微子、陶子、陶中微子）
- 组成：基本粒子
- 系：费米-狄拉克
- 代：第一代、第二代、第三代
- interaction：电磁、引力、弱
- 反粒子：反轻子 (Antilepton)
- 重子数：0
- electric_charge：+1 e、0 e、−1 e
- 色荷：No