轻子

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简介

在物理学历史上，物质的构成一直是一个核心问题。“宇宙是由什么构成的？”这个问题自古以来就困扰着科学家们。在20世纪初，汤姆逊、卢瑟福等物理学家进行了一些实验。

他们发现原子并非不可分割，而是由更小的粒子构成。慢慢地，人们逐渐认识到原子由电子、质子和中子组成。质子和中子位于原子核中，电子围绕原子核旋转。在20世纪30年代，许多物理学家认为物质基本结构的问题已经解决。但随着时间的推移，技术的进步提高了实验室的精度和能力。物理学家开始使用粒子加速器以越来越高的能量将粒子相互碰撞。

在这个过程中，发现了许多新的粒子。μ介子、K介子、π介子等就是这样的例子。粒子数量如此之多，以至于很难跟踪它们。因此，物理学家引入了一种对这些粒子进行分类的方案，在物理学中称为“标准模型”。

什么是轻子？

基本粒子可以通过多种方式进行分类。一种方法是根据它们的自旋进行分类。所有具有半奇数自旋（例如 -1/2、3/2、5/2 等）的粒子都称为费米子。自旋为整数（例如 -0、1、2 等）的粒子称为玻色子。另一种分类方法可以基于粒子的质量。轻质量粒子称为轻子，中等质量粒子称为介子，重粒子称为重子。

轻子是具有半整数自旋的轻质量粒子。轻子可以带电或中性。带电的轻子称为类电子轻子，中性轻子称为中微子。

反轻子

在粒子物理学中，每个粒子都有一个相应的反粒子。粒子与其反粒子具有相同的质量，但电荷不同。它们的电荷相反。当粒子与其反粒子相互作用时，它们会相互湮灭并产生光子。反轻子是轻子的反粒子。

我们可以在以下过程中看到反轻子的例子：一个W+玻色子衰变并产生正电子和中微子。我们知道电子是一种中微子，这里正电子是电子的反粒子。因此它是一种反轻子。

轻子的历史

第一个被发现的轻子是电子。1897年，英国物理学家J.J.汤姆逊发现了它。随后，1936年，卡尔·安德森发现了μ介子。1930年，沃尔夫冈·泡利提出，为了能量和动量的守恒，在β衰变中应该存在一个粒子。后来这个粒子被确定为电子中微子或中微子。

1940年，引入了一种新的粒子类别，称为“轻子”。1962年，三位物理学家莱德曼、施瓦茨和斯坦伯格证明，中微子不仅有一种类型，而且有很多类型。这使他们在1988年获得了诺贝尔物理学奖。1975年，马丁·佩尔发现了一种新的轻子类别，τ轻子。为此，他于1995年分享了诺贝尔奖。

2000年，费米实验室检测到了有史以来第一次τ中微子相互作用。如今，一些物理学家正在寻找第四代轻子。

轻子的类型

到目前为止，我们知道六种类型的轻子，它们分为三个家族。每个家族都拥有一个反粒子。轻子的类型总结如下

家族	粒子	符号	反粒子	电荷	质量(Me V/C$\mathrm{^{2}}$)	轻子数
电子	电子	$\mathrm{e^{-}}$	$\mathrm{e^{+}}$	-1	0.511	1
	电子中微子	$\mathrm{v_{e}}$	$\mathrm{v_{e}^{-}}$	0	$\mathrm{10^{-7}}$	-1
μ介子	μ介子	$\mathrm{\mu^{-}}$	$\mathrm{\mu^{+}}$	-1	105.7	1
	μ介子中微子	$\mathrm{v_{\mu}}$	$\mathrm{v^{-}_{\mu}}$	0	$\mathrm{10^{-7}}$	-1
τ轻子	τ轻子	$\mathrm{\tau ^{-}}$	$\mathrm{\tau ^{+}}$	-1	1777	1
	τ轻子中微子	$\mathrm{v_{\tau }}$	$\mathrm{v_{\tau }^{-}}$	0	$\mathrm{10^{-7}}$	-1

由于中微子振荡，中微子的质量没有得到很好的定义。

轻子的特征

轻子具有一些特定的特征。其中一些列在下文

• 质量 - 根据标准模型，最初轻子的质量为零，但当带电轻子与希格斯场相互作用时，它们会获得质量。

• 相互作用 - 由于一些轻子带电，因此它们可以感受到电磁相互作用。它们还可以感受到弱相互作用。但是，它们不参与强相互作用。

• 自旋 - 轻子的自旋为1/2，因此它们是费米子。因此，泡利不相容原理适用于它们，这意味着在同一时间，没有两个具有相同量子数的轻子可以处于相同的态。

• 手性 - 手性是与“螺旋性”相关的属性。螺旋性是自旋相对于动量的方向。它们分为两类：右手性和左手性。在左手性粒子中，自旋和动量方向相同。但在左手性粒子中，自旋和动量方向不相同。

• 轻子数 - 这是一个额外的量子数，用于在粒子反应中区分轻子和反轻子。对于轻子，其值为+1，对于反轻子为-1，对于所有其他粒子为零。它在许多反应中是守恒的，但在中微子振荡中被破坏。

结论

轻子是质量轻的基本粒子。它们是费米子。它们可以感受到弱相互作用和电磁相互作用。轻子有六种类型，它们有三代。轻子的反粒子称为反轻子。电子、τ轻子和μ介子是一些轻子的例子。

常见问题

Q1. 检查以下方程的电荷守恒和轻子数守恒

$$\mathrm{\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+v_{e}+v_{\mu }}$$

答：在这个反应中，μ介子衰变成电子。我们可以从第一个表格中看到它们的电荷和轻子数。

电荷：-1 = -1 + 0 +0，因此它守恒电荷

电子轻子数：0= 1 - 1 + 0

μ介子轻子数：1 = 0 + 0 + 1

因此，这个反应也守恒轻子数。

Q2. 什么是β衰变？

答：这是一种放射性衰变过程。在这个过程中，一个β粒子从原子核中发射出来。在此过程中，质子会转化为中子或反之亦然。β粒子是高速电子。在β衰变过程中，我们还可以观察到反中微子的发射。

Q3. 什么是强子？写出它们的类型。

答：强子是重基本粒子。它们可以感受到弱、强和电磁相互作用。它们分为两类：介子和重子。介子是玻色子，重子是费米子。一些例子包括：π介子、质子和中子。

Q4. 写出粒子相互作用的类型。

答：根据基本力，粒子相互作用可以分为四种类型。

• 引力：最弱的相互作用，它是长程的和有吸引力的。它在粒子物理学中的相互作用是不够的。

• 电磁力：它既有吸引力也有排斥力，负责它的粒子是光子。

• 弱力：它具有有限范围的相互作用。它的交换粒子是矢量玻色子

• 强力：它是自然界中最强的相互作用。它的交换粒子是介子。

Q5. 写出轻子和强子的区别。

答：轻子和强子之间主要有三个区别。

轻子	强子
轻质量	重质量
只有费米子	可以是费米子或玻色子
不参与强相互作用	可以参与强相互作用