لپتون
لپتون‌ها در فرآیندهای زیادی شرکت دارند مانند واپاشی بتا
ترکیب:	ذره بنیادی
خانواده:	فرمیون
رده:	۱٬۲٬۳
برهم‌کنش:	نیروی ضعیف، نیروی جاذبه، نیروی الکترومغناطیس
پاد ذره بنیادی:	پادلپتون
نماد:	l
تعداد انواع:	۶ (الکترون, الکترون, میون, میون, لپتون تاو, تاو نوترینو)
بار الکتریکی:	+۱ e, ۰ e, −۱ e
اسپین:	۱⁄۲

لپتون(به انگلیسی: Lepton) خانواده‌ای از ذرات بنیادی با اسپین ‎۱/۲ (فرمیون) هستند.^[۱] ریشه نام این لپتون از کلمه یونانی «λεπτόν» به معنی «ریز، سبک» است.

بطور کلی شش لپتون وجود دارد سه تا ازآنها دارای بارالکتریکی بوده و سه تای دیگر هم فاقد بارالکتریکی هستند. لپتون‌ها جز ذرات بنیادین شناخته شده‌اند یعنی ذراتی که از ذرات کوچک‌تر تشکیل نشده‌اند. معروفترین لپتون الکترون (e) است لپتون‌های باردار دیگر میون (μ) و تاو (τ) هستند، که از نظر بار مثل الکترون ولی دارای جرم خیلی بیشتر نسبت به آن هستند. میون و تاو به ترتیب ۲۰۰ و ۳۰۰۰ برابر سنگین تر از الکترون هستند. به هر یک از این سه لپتون یعنی الکترون، میون و تاو می‌توان ذره‌ای به نام نوترینو نسبت داد که با نام‌های الکترون نوترینو، میون نوترینو و تاو نوترینو مشهورند. این ذرات با نیروهای بنیادی نیروی هسته‌ای ضعیف و نیروی الکترومغناطیس برهمکنش می‌کند.

همه این ۶ ذره در طبیعت وجود دارند و در شتاب دهنده‌های انرژی بالا تولید شده‌اند. البته در شرایط عادی فقط الکترون در اتم حضور دارد. که به آن معنا نیست که سایر ذرات غیر واقعی اند. همه آنها در فیزیک ذرات جایگاهی یکسان دارند.

لپتون‌ها نیز دارای پاد ذره می‌باشند پس برای هر لپتون یک ضد ماده متناظر با آن وجود دارد. دربین لپتونها پادذره الکترون نامی ویژه دارد و آن پوزیترون است.

جرم نوترینوها صفر نیست اما هنوز دقیقا مشخص نشده‌است و نظر بر این است که جرم الکترون نوترینو ضربدر سرعت نور به توان دو (۹‎×۱۰^۱۶ m^۲/s^۲) در حدود ‎۱۰^-۹ مگاالکترون ولت و این مقدار برای میون نوترینو و تاو نوترینو به ترتیب در حدود ‎۱۰^-۸ و ‎۱۰^-۷ می‌باشد

خواص

اسپین و پاریته

لپتون‌ها دارای اسپین-^۱⁄_۲ بنابرین این ذرات فرمیون بوده و از اصل اصل طرد پائولی پیروی می‌کنند، دو لپتون نمی‌توانند دارای دقیقا خواص یکسان در یک زمان باشد. به عبارت دیگر این ذرات فقط دو حالت اسپینی دارند بالا یا پایین.

در بسیاری از نظریه‌های میدان‌های کوانتومی—مانند الکترودینامیک کوانتومی و کرومودینامیک کوانتومی—فرمیون‌ها راست-دست و فرمیون‌های چپ-دست یکسان در نظر گرفته می‌شود. اگرچه در مدل استاندارد فرمیون‌های راست-دست و چپ-دست نامتقارن در نظر گرفته می‌شوند. فقط فرمیون‌های چپ-دست می‌توانند با نیروی هسته‌ای ضعیف برهمکنش کنند در حالی که نوترینوی راست-دست وجود ندارد. که این مثالی از نقض پاریته‌است. در متون علمی فرمیون چپ‌دست را با یک L در پایین مشخص می‌کنند (مثلا e−
_L) و راست نیز با R و به همان شکل.

برهمکنش الکترومغناطیسی

 

برهمکنش لپتون-فوتون

یکی از خواص بسیار مهم لپتون‌ها بار الکتریکی، Q است. بار الکتریکی میزان قدرت آنها در برهمکنش الکترومغناطیسی یا عبارت دیگر میزان قدرت میدان الکتریکی تولید شده توسط ذرات را نشان می‌دهد (ن. ک. قانون کولن) و با چه قدرتی ذره به تغییر در میدان مغناطیسی پاسخ می‌دهد (ن. ک. نیروی لورنتس). هر نسل از لپتون‌ها یک لپتون با بار Q = −۱ (بار الکتریکی ذرات برحسب واحدی از بار الکترون نشان داده می‌شد) و یک لپتون با بار صفر دارد. به اولی لپتون باردار و به دومی نوترینو می‌گویند به طور مثال در نسل اول لپتون باردار الکترون e−
و نوترینو الکترون نوترینو ν
e است.

در زبان نظریه میدان کوانتم برهمکنش الکترومغناطیسی لپتون توسط این واقعیت بیان می‌شود که ذرات با کوانتای میدان الکترومغناطیسی یعنی فوتون برهمکنش می‌کنند. نمودار فاینمن برهمکنش الکترون فوتون در چپ نشان داده شداست.

از آنجا که لپتون یک حالت ذاتی در شکل اسپین‌شان دارند. لپتون‌های باردار میدان مغناطیسی تولید می‌کنند. گشتاور مغناطیسی μ تولید شده از فرمول زیر بدست می‌آید,

که m جرم لپتون و g فاکتور جی برای لپتون است. اولین مرتبه تقریب‌زنی در مکانیک کوانتم پیش‌بینی می‌کند که میزان فاکتور جی برای تمام لپتون‌ها برابر ۲ باشد. اگرچه تقریب‌های مرتبه بالاتر اثراتی پیش‌بینی می‌کنند که به تصحیح این عدد می‌انجامد این تصحیحات تکانه دوقطبی غیرعادی مغناطیسی (en:anomalous magnetic dipole moment)نامیده می‌شود..

برهمکنش ضعیف

برهمکنش ضعیف در نسل اول لپتون‌ها.

در مدل استاندارد لپتون باردار چپ دست و نوترینو راست-دست است و یک دوگان (ν
e_L, e−
_L) تشکیل می‌دهد و بیان اسپینوری در گروه واحد ویژهایزواسپین ضعیف تقارن پیمانه‌ای به (T = ^۱⁄_۲) تغییر می‌کنید. این بدین معنی است که این ذرات وضعیت ویژه از نتیجه ایزواسپین T_۳ با ویژه مقادیر ^۱⁄_۲ و −^۱⁄_۲ خواهند داشت. لپتون راست-دست باردار به یک اسکالر ضعیف ایزاسپینی (T = ۰) تبدیل می‌شود و در برهمکنش ضعیف شرکت نمی‌کند. نوترینوی راست-دست وجود ندارد.

بار الکتریکی Q می‌تواند از نمایش ایزواسپین T_۳ و ابربار ضعیف Y_Wاز طریق فرمول گل‌مان-نیشیجیما بدست آورد:

Q = T_۳ + Y_W/۲

جرم

در مدل استاندارد (ذرات بنیادی) لپتون‌ها دارای جرم در ابتدا نیستند اما لپتون‌های باردار (الکترون، میون و تاو) با برهمکنش با بوزون هیگز جرم بدست می‌آورند ولی نوترینوها بدون جرم باقی می‌مانند بی‌جرمی نوترینوها بدین معنی است که لپتون‌های باردار نمی‌توانند مانند کوارک گروه تشکیل دهند چیزی که با مشاهدات همخوانی دارد.^[

اگرچه به خاطر آزمایش‌هایی —مشهورترینش نوسان نوترینو نتیجه گرفته شده‌است که نوترینوها جرم بسیار کمی دارند، احتمالا کمتر از۲ eV/c².که در فیزیک پس از مدل استاندارد به آن پرداخته می‌شود. مکانیزم سیساو احتمال می‌رود بتواند توضیح دهد چرا نوترینوهای چپ-دست بسیار در مقایسه با لپتون باردار سبک هستند و چرا ما هنوز نوترینو راست-دست ندیده‌ایم

عدد لپتونی

به تمام ذراتی که لپتون هستند مقدار عدد لپتونی +۱ و به تمام پاد ذرات انها عدد لپتونی -۱ نسبت داده می‌شود. عدد لپتونی بقیه ذرات و پادذرات برابر صفر است. این عدد در واکنش‌ها پایسته می‌ماند.

همچنین عدد لپتونی جداگانه برای هر نسل تعریف شده‌است به طور مثال برای نسل اول داریم «عدد الکترونی» که برای الکترون و الکترون نوترینو برابر L_e = ۱ و عدد میونی برای میون و میون نوترینو L_μ = ۱ و عدد تائوی برای تاو و تاو نوترینو نیز L_τ = ۱ است. برای پادذرات همان مقدار ولی -۱ است. که این عدد در واپاشی‌ها و برهمکنش‌ها پایسته می‌مانند به طور مثال در واپاشی نوترون چون قبل از واپاشی عدد لپتونی برابر صفر است باید مجموع محصولات نیز برابر صفر باشد بنابرین یک نوترون به یکی از دو حالت زیر واپاشی می‌کند:

• پروتون+الکترون+ پاد الکترون نوترینو
• پرتون+پوزیترون+ الکترون نوترینو

و همچنین به خاطر پایستگی عدد لپتونی هر نسل این واکنش‌ها قابل انجامند:

e−
+ e+
→ γ + γ,

τ−
+ τ+
→ Z0
+ Z0
,

اما اینها ممنوعند:

γ → e−
+ μ+
,

W−
→ e−
+ ν
τ,

Z0
→ μ−
+ τ+
.

ولی در نوسان نوترینو مشاهده شده‌است که پایستگی عدد لپتونی مجزا (عدد لپتونی مختص هر نسل) نقض می‌شود این نقض به معنی وجود فیزیک پس از مدل استاندارد است. پایستگی قوی‌تر عدد لپتونی (L به معنی مجموع تمام لپتون‌ها در یک طرف) حتی در نوسان نوترینو نیز پایسته است اما به مقدار بسیار کم در آنومالی کایرال (chiral anomaly) نقض می‌شود.

فهرست ذرات

نوترون
ساختار کوارکی نوترون
ترکیب:	۲ پایین ۱ بالا
خانواده:	فرمیون
گروه:	کوارک
برهم‌کنش:	نیروی ضعیف٬نیروی قوی٬نیروی جاذبه٬نیروی الکترومغناطیس
پاد ذره بنیادی:	پاد نوترون
کشف شده:	جیمز چادویک
نماد:	n
جرم:	۱٫۶۷۴ ۹۲۷ ۲۹(۲۸) × ۱۰−۲۷kg ۹۳۹٫۵۶۵ ۵۶۰(۸۱) الکترون‌ولت/c² ۱٫۰۰۸۶۶۵ u
بار الکتریکی:	۰ C
اسپین:	½

نوترون یکی از ذرات هسته‌ای اتم است. نوترون دارای بار الکتریکی خنثی است و به همراه پروتون در داخل هسته اتم اصل جرم اتم را تشکیل می‌دهند.

از هیدروژن (۱ پروتون) تا کلسیم (۲۰ پروتون) تعداد آن با تعداد پروتون یکی نیست و از آن بالاتر در جدول تناوبی تعدادش بیشتر می‌شود. جرم مطلق ^۲۷- ۱۰ × ۱٬۶۷۴۸۲ کیلوگرم و جرم نسبی آن ۱٬۰۰۸۶۶۵۴۱ است. برای مثال ۵۶n بر روی Fe و p۲۶ بر زیر آن تشکیل دهندهٔ آهن است.

جیمز چادویک در سال ۱۹۳۲ نوترون را، که رادرفورد در سال ۱۹۲۰ وجود آن را پیش‌بینی کرده بود، کشف کرد. پروتون‌ها ذراتی مثبت هستند و به شدت همدیگر را دفع می‌کنند علت اینکه پروتون‌ها همدیگر را دفع نمی‌کنند نوترن‌ها هستند. نوترون ذره‌ای ناپایدار است و عمر متوسط آن ۹۱۸ ثانیه است که به پروتون، الکترون و نوترینو واپاشیده می‌شود. به این واپاشی، واپاشی بتا می‌گویند اتمی که پرتوی بتا تابش می‌کند چون یک پروتون به پروتون‌هایش اضافه می‌شود به عنصر بالاتر سلف می‌کند در همه اتم‌ها اینگونه نیست زیرا اصل طرد پائولی برای اتم‌هایی که نسبت نوترون‌هایش به پروتون‌هایش کمتر از ۱٫۵ است اجازه واپاشی نمی‌دهد.

نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین ساخته شده است

تاریخچه کشف نوترون

با اندازه گیری‌هایی که ارنست رادرفورد انجام داده بود، متوجه شد که جرم هسته اتم تقریبا دوبرابر تعداد پروتون‌ها است. بدین ترتیب او پیش بینی کرد که ذره‌ای دیگر باید در هسته باشد تا این کمبود جرم را جبران کند.

در سال ۱۹۳۲ جیمز چادویک آزمایشی ترتیب داد. او بریلیم را با آلفا بمباران کرد و متوجه شد ذره‌ای با قدرت نفوذ بسیار بالا از هسته اتم بیرون می‌زند که در میدان مغناطیسی منحرف نمی‌شود. ابتدا فکر کرد باید اشعه X یا گاما باشد اما هنگامی که سرعت آن را اندازه گرفت متوجه شد سرعت این ذره یک دهم سرعت نور است. به همین دلیل این ذره را که جرم آن حدود جرم پروتون و بیشتر بود، بار الکتریکی نداشت و سرعت آن یک دهم سرعت نور بود نوترون نامید و آن را به هسته نسبت داد.