Lepton
Obsah boxu
Šablona:Infobox Částice Lepton je elementární částice s poločíselným spinem (spin ½), která nepodléhá silné interakci. Patří mezi základní stavební kameny hmoty popsané Standardním modelem částicové fyziky. Název pochází z řeckého slova leptos, což znamená "tenký" nebo "lehký", protože první objevené leptony (elektron a mion) měly výrazně nižší hmotnost než hadrony (jako proton a neutron).
Leptony tvoří samostatnou rodinu fermionů vedle kvarků. Hlavním rozdílem mezi nimi je, že kvarky podléhají všem čtyřem základním interakcím (silná, slabá, elektromagnetická a gravitační), zatímco leptony nepociťují silnou interakci, která drží pohromadě atomová jádra.
Existuje šest typů (označovaných jako "vůně") leptonů, které jsou uspořádány do tří generací. Každá generace obsahuje jeden záporně nabitý lepton a jeden elektricky neutrální lepton, zvaný neutrino. Ke každému leptonu existuje také odpovídající antičástice (antilepton) s opačným elektrickým nábojem a dalšími kvantovými čísly.
📜 Historie
Historie objevování leptonů je úzce spjata s vývojem moderní fyziky ve 20. století.
⚛️ Objev elektronu
Prvním objeveným leptonem byl elektron (e⁻). V roce 1897 ho identifikoval britský fyzik Joseph John Thomson při svých experimentech s katodovým zářením. Prokázal, že toto záření je tvořeno proudem částic, které jsou mnohem lehčí než atomy a nesou záporný elektrický náboj. Tento objev znamenal revoluci v chápání struktury hmoty a položil základy atomové fyziky.
👻 Hypotéza a objev neutrina
Při studiu beta rozpadu atomových jader ve 20. letech 20. století si fyzikové všimli, že vylétající elektrony nemají pevnou energii, jak by se očekávalo, což zdánlivě porušovalo zákon zachování energie. V roce 1930 Wolfgang Pauli navrhl odvážnou hypotézu, že při rozpadu vzniká ještě jedna, dosud nepozorovaná, elektricky neutrální a velmi lehká částice, která odnáší část energie. Enrico Fermi ji později pojmenoval neutrino ("malý neutronek"). Experimentálně bylo elektronové neutrino (νₑ) potvrzeno až v roce 1956 Clydem Cowanem a Frederickem Reinesem.
👽 "Kdo si tohle objednal?"
V roce 1936 objevili Carl David Anderson a Seth Neddermeyer při studiu kosmického záření novou částici, která byla asi 200krát hmotnější než elektron, ale jinak se mu velmi podobala. Tato částice, mion (μ⁻), byla tak nečekaná, že fyzik Isidor Isaac Rabi její objev okomentoval slavnou větou: "Kdo si tohle objednal?". Mion byl prvním objeveným zástupcem druhé generace leptonů.
heavier generace
Třetí a nejtěžší nabitý lepton, tauon (τ⁻), byl objeven v letech 1974–1977 týmem vedeným Martinem Perlem v urychlovači SLAC v USA. Jeho existence byla předpovězena na základě symetrie Standardního modelu.
Objevy odpovídajících neutrin následovaly: mionové neutrino (νμ) bylo identifikováno v roce 1962 a existence tauonového neutrina (ντ) byla definitivně potvrzena v roce 2000 v experimentu DONUT ve Fermilabu.
🔬 Vlastnosti
Leptony sdílejí několik klíčových vlastností, které je definují jako skupinu.
- Spin a statistika: Všechny leptony jsou fermiony se spinem ½. To znamená, že se řídí Pauliho vylučovacím principem, který říká, že žádné dva identické fermiony nemohou zaujímat stejný kvantový stav ve stejném čase.
- Elektrický náboj: Leptony se dělí na dvě skupiny podle náboje. Nabité leptony (elektron, mion, tauon) mají záporný elementární náboj (−1 e). Neutrina (elektronové, mionové, tauonové) jsou elektricky neutrální (náboj 0). Jejich antičástice mají opačný náboj.
- Interakce: Leptony nepodléhají silné interakci. To je jejich hlavní definiční znak. Účastní se:
* Gravitační interakce (jako veškerá hmota a energie). * Slabé interakce (všechny leptony). * Elektromagnetické interakce (pouze nabité leptony).
- Hmotnost: Hmotnosti nabitých leptonů se dramaticky liší napříč generacemi. Mion je přibližně 207krát těžší než elektron a tauon je asi 17krát těžší než mion (a ~3477krát těžší než elektron). Hmotnosti neutrin jsou extrémně malé, ale nenulové, což bylo prokázáno jevem neutrinových oscilací.
📚 Klasifikace a generace
Leptony jsou ve Standardním modelu uspořádány do tří generací. Každá vyšší generace je hmotnější než předchozí. Částice z vyšších generací jsou nestabilní a rychle se rozpadají na lehčí částice z první generace. Veškerá stabilní hmota ve vesmíru je tvořena částicemi první generace (elektrony, kvarky up a down).
| Částice / Antičástice | Symbol | Náboj (e) | Hmotnost (MeV/c²) | Generace | |
|---|---|---|---|---|---|
| Elektron | Pozitron | e⁻ / e⁺ | −1 / +1 | 0.511 | 1. |
| Elektronové neutrino | Elektronové antineutrino | νₑ / ν̅ₑ | 0 | < 0.0000012 | 1. |
| Mion | Antimion | μ⁻ / μ⁺ | −1 / +1 | 105.66 | 2. |
| Mionové neutrino | Mionové antineutrino | νμ / ν̅μ | 0 | < 0.17 | 2. |
| Tauon | Antitauon | τ⁻ / τ⁺ | −1 / +1 | 1776.86 | 3. |
| Tauonové neutrino | Tauonové antineutrino | ντ / ν̅τ | 0 | < 18.2 | 3. |
⚖️ Zákon zachování leptonového čísla
V klasickém Standardním modelu byl zaveden koncept leptonového čísla (L). Každý lepton má L = +1, každý antilepton má L = -1 a všechny ostatní částice mají L = 0. Předpokládalo se, že celkové leptonové číslo se při všech interakcích zachovává.
Dále se předpokládalo, že se zachovává i leptonové číslo pro každou generaci zvlášť (Lₑ, Lμ, Lτ). Například při rozpadu mionu vzniká elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino:
- μ⁻ → e⁻ + ν̅ₑ + νμ
Před rozpadem: Lμ = 1, Lₑ = 0. Po rozpadu: Lμ = 1 (z νμ), Lₑ = 1 (z e⁻) + (-1) (z ν̅ₑ) = 0. Čísla pro jednotlivé rodiny zůstala zachována.
Tento přísný zákon byl však narušen objevem neutrinových oscilací. Tento jev ukazuje, že se neutrina jedné "vůně" (generace) mohou spontánně přeměňovat na neutrina jiné vůně. Například mionové neutrino vzniklé v atmosféře se může během své cesty k detektoru na Zemi přeměnit na tauonové neutrino. To znamená, že leptonová čísla jednotlivých generací (Lₑ, Lμ, Lτ) se nezachovávají.
Celkové leptonové číslo (L) je však ve všech dosud pozorovaných experimentech stále považováno za zachovávající se veličinu. Některé hypotetické teorie za hranicemi Standardního modelu (např. teorie Velkého sjednocení) však předpovídají procesy, které by tento zákon porušovaly.
💡 Pro laiky
Představte si svět základních částic jako velkou stavebnici. Leptony jsou jedním ze dvou základních typů kostiček (tím druhým jsou kvarky).
- Samotáři vesmíru: Zatímco kvarky se vždy vyskytují ve skupinkách a tvoří větší částice jako protony a neutrony v jádře atomu, leptony mohou existovat zcela samostatně. Nejznámějším příkladem je elektron, který obíhá kolem atomového jádra.
- Tři váhové kategorie: Leptony existují ve třech "váhových kategoriích" neboli generacích.
1. **První generace (muší váha):** Sem patří elektron. Je velmi lehký a stabilní – tvoří svět kolem nás. 2. **Druhá generace (střední váha):** Zde je mion. Je to v podstatě jen "tlustší bratr" elektronu. Je nestabilní a během zlomku sekundy se rozpadne na lehčí elektron. 3. **Třetí generace (těžká váha):** Zde najdeme tauon, nejtěžšího z nich. Je ještě nestabilnější a rozpadá se ještě rychleji.
- Duchové částic (Neutrina): Ke každému z těchto tří nabitých leptonů patří i "duchovní partner" – neutrino. Neutrina nemají žádný elektrický náboj a mají jen nepatrnou hmotnost. Proto téměř nereagují s okolní hmotou. Každou sekundu vámi proletí biliony neutrin ze Slunce, aniž byste si toho všimli. Jsou to nepolapitelní duchové světa částic.
- Proč je to důležité?: Leptony jsou klíčové pro fungování vesmíru. Elektrony tvoří obaly atomů a jsou zodpovědné za veškerou chemii a elektřinu. Neutrina hrají zásadní roli v procesech probíhajících v nitru hvězd, jako je naše Slunce.