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这是关于轻子的物理知识介绍,助你了解量子世界

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导读:本章摘自独立学者灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》。此文旨在帮助大家认识我们身处的世界。世界是确定的,但世界的确定性不是我们能把我的。

这就是关于夸克的介绍,接下来我们认识一下轻子。

让我们先来看看轻子列表。总计共有12个。

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、μ子、τ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μ子与τ子会很快地衰变成电子,μ子与τ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、μ中微子、τ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(e)与电中微子 (νe)。第二代是缈轻子,包括μ子(μ)与μ中微子 (νμ)。第三代是陶轻子,包括τ子(τ)与τ中微子(ντ)。

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μ子或τ子。像电子偶素一类的轻子-反轻子粒子也可以被合成。

最先被辨识的轻子是电子,英国物理学者约瑟夫·汤姆孙与实验团队于1897年发现电子。1930年,沃尔夫冈·泡利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;泡利认为,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,强力支持泡利的假设。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(英语:Cowan–Reines neutrino experiment)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μ子。由于它的质量,μ子最初被归类为介子,而不是轻子。渐渐地,学者发觉μ子的性质更接近电子,只是质量比较大,而且μ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,μ子被重新归类,μ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μ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τ子。如同电子与μ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τ中微子实验(Direct Observation of the NU Tau,DONUT )团队于2000年探测到τ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100.8 GeV,伴随它的中微子最少应该带有质量45.0 GeV。

灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》电子版在灵遁者淘宝有

轻子是自旋12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,遵守泡利不相容原理,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。

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、μ子与μ中微子之间的相互作用、τ子与τ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τ子与μ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斯坦福直线加速器里,完成了很多这类检验普适性的实验。

摘自独立学者灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》

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