Im 19. und 20. Jahrhundert begannen Physiker, tief in die Natur von Materie und Energie einzudringen. Dabei stellten sie schnell fest, dass die Regeln, die sie bestimmen, immer undeutlicher werden, je tiefer man vordringt. Während früher die vorherrschende Theorie war, dass alle Materie aus unteilbaren Atomen besteht, begannen Wissenschaftler zu erkennen, dass Atome selbst aus noch kleineren Teilchen bestehen.
Aus diesen Untersuchungen geht die Standardmodell der Teilchenphysik wurde geboren. Nach diesem Modell besteht die gesamte Materie im Universum aus zwei Arten von Teilchen: Hadronen – aus denen Large Hadron Collider (LHC) hat seinen Namen – und Leptonen. Während Hadronen aus anderen Elementarteilchen (Quarks, Antiquarks usw.) bestehen, sind Leptonen Elementarteilchen, die für sich allein existieren.
Definition:
Das Wort Lepton kommt aus dem Griechischenleptos, was „klein“, „fein“ oder „dünn“ bedeutet. Die erste aufgezeichnete Verwendung des Wortes stammt vom Physiker Leon Rosenfeld in seinem BuchNuklearstreitkräfte(1948). In dem Buch führte er die Verwendung des Wortes auf einen Vorschlag des dänischen Chemikers und Physikers Prof. Christian Moller zurück.
![Das Standardmodell der Elementarteilchen. Bild: Von MissMJ - Eigene Arbeit von Uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, CC BY 3.0](http://ferner.ac/img/blog/51/what-are-leptons.png)
Das Standardmodell der Teilchenphysik, das alle bekannten Elementarteilchen zeigt. Quelle: Wikipedia Commons/MissMJ/PBS NOVA/Fermilab/Particle Data Group
Der Begriff wurde gewählt, um Teilchen mit geringer Masse zu bezeichnen, da die einzigen bekannten Leptonen zu Rosenfelds Zeiten Myonen waren. Diese Elementarteilchen sind über 200-mal massereicher als Elektronen, haben aber nur etwa ein Neuntel der Masse eines Protons. Leptonen sind neben Quarks die Grundbausteine der Materie und werden daher als „Elementarteilchen“ bezeichnet.Arten von Leptonen:
Nach dem Standardmodell gibt es sechs verschiedene Arten von Leptonen. Dazu gehören die Elektron-, Myon- und Tau-Teilchen sowie die dazugehörigen Neutrinos (d. h. Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino und Tau-Neutrino). Leptonen haben eine negative Ladung und eine ausgeprägte Masse, während ihre Neutrinos eine neutrale Ladung haben.
Elektronen sind mit einer Masse von 0,000511 Gigaelektronenvolt (GeV) am leichtesten, während Myonen eine Masse von 0,1066 Gev und Tau-Teilchen (die schwersten) eine Masse von 1,777 Gev haben. Die verschiedenen Sorten der Elementarteilchen werden gemeinhin als „Aromen“ bezeichnet. Obwohl jeder der drei Lepton-Aromen unterschiedlich und unterschiedlich ist (in Bezug auf ihre Wechselwirkungen mit anderen Partikeln), sind sie nicht unveränderlich.
Ein Neutrino kann seinen Geschmack ändern, ein Vorgang, der als „Neutrino-Flavour-Oszillation“ bekannt ist. Dies kann eine Reihe von Formen annehmen, darunter solares Neutrino, atmosphärisches Neutrino, Kernreaktor oder Strahlschwingungen. In allen beobachteten Fällen wurden die Oszillationen durch ein scheinbares Defizit in der Anzahl der erzeugten Neutrinos bestätigt.
Myonen, eine Art von Lepton, die vom Large Hadron Collider produziert werden. Bildnachweis: CERN
Eine beobachtete Ursache hat mit „Myon-Zerfall“ (siehe unten) zu tun, einem Prozess, bei dem Myonen ihren Geschmack ändern und je nach den Umständen zu Elektron-Neutrinos oder Tau-Neutrinos werden. Außerdem haben alle drei Leptonen und ihre Neutrinos ein zugehöriges Antiteilchen (Antilepton).
Für jedes haben die Antileptonen eine identische Masse, aber alle anderen Eigenschaften sind umgekehrt. Diese Paarungen bestehen aus Elektron/Positron, Myon/Antimyon, Tau/Antitau, Elektron-Neutrino/Elektron-Antineutrino, Myon-Neutrino/Muan-Antinuetrino und Tau-Neutrino/Tau-Antineutrino.
Das vorliegende Standardmodell geht davon aus, dass es nicht mehr als drei Typen (auch bekannt als „Generationen“) von Leptonen mit den dazugehörigen Neutrinos gibt. Dies stimmt mit experimentellen Beweisen überein, die versuchen, den Prozess der Nukleosynthese nach dem Urknall zu modellieren, wo die Existenz von mehr als drei Leptonen den Heliumvorkommen im frühen Universum beeinflusst hätte.
Eigenschaften:
Alle Leptonen besitzen eine negative Ladung. Außerdem besitzen sie in Form ihres Spins eine Eigenrotation, wodurch elektrisch geladene Elektronen – also „geladene Leptonen“ – Magnetfelder erzeugen. Sie können nur durch schwache elektromagnetische Kräfte mit anderer Materie interagieren. Ihre Ladung bestimmt letztendlich die Stärke dieser Wechselwirkungen sowie die Stärke ihres elektrischen Feldes und wie sie auf äußere elektrische oder magnetische Felder reagieren.
Keine ist jedoch in der Lage, über starke Kräfte mit Materie zu interagieren. Im Standardmodell beginnt jedes Lepton ohne Eigenmasse. Geladene Leptonen erhalten durch Wechselwirkungen mit dem Higgs-Feld eine effektive Masse, während Neutrinos entweder masselos bleiben oder nur sehr geringe Massen haben.
Geschichte des Studiums:
Das erste identifizierte Lepton war das Elektron, das von britischen Physikern entdeckt wurde J. J. Thomson und seinen Kollegen im Jahr 1897 mit einer Reihe von Experimenten mit Kathodenstrahlröhren. Die nächsten Entdeckungen kamen in den 1930er Jahren und führten zur Schaffung einer neuen Klassifizierung für schwach wechselwirkende Teilchen, die den Elektronen ähnlich sind.
Die erste Entdeckung wurde 1930 von dem österreichisch-schweizerischen Physiker Wolfgang Pauli gemacht, der die Existenz des Elektron-Neutrinos vorschlug, um aufzuklären, wie der Betazerfall dem Energieerhaltungssatz widersprach, und Newtons Bewegungsgesetze (insbesondere Impulserhaltung und Drehimpulserhaltung).
Das Positron und das Myon wurden 1932 bzw. 1936 von Carl D. Anders entdeckt. Aufgrund der Masse des Myons wurde es zunächst mit einem Meson verwechselt. Aber aufgrund seines Verhaltens (das dem eines Elektrons ähnelte) und der Tatsache, dass es keine starke Wechselwirkung durchmachte, wurde das Myon neu klassifiziert. Zusammen mit dem Elektron und dem Elektron-Neutrino wurde es Teil einer neuen Gruppe von Teilchen, die als „Leptonen“ bekannt sind.
1962 konnte ein Team amerikanischer Physiker – bestehend aus Leon M. Lederman, Melvin Schwartz und Jack Steinberger – Wechselwirkungen des Myon-Neutrinos nachweisen und damit zeigen, dass mehr als eine Art von Neutrino existiert. Gleichzeitig postulierten theoretische Physiker die Existenz vieler anderer Arten von Neutrinos, die schließlich experimentell bestätigt werden sollten.
Das Tau-Teilchen folgte in den 1970er Jahren dank Experimenten des mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Physikers Martin Lewis Perl und seiner Kollegen am SLAC National Accelerator Laboratory. Der Nachweis seines assoziierten Neutrinos folgte dank der Studie des Tau-Zerfalls, die fehlende Energie und Impuls analog der fehlenden Energie und des fehlenden Impulses durch den Beta-Zerfall von Elektronen zeigte.
Im Jahr 2000 wurde das Tau-Neutrino dank des Direct Observation of the NU Tau (DONUT)-Experiments bei . direkt beobachtet Fermilab . Dies wäre das letzte Teilchen des Standardmodells, das bis 2012 beobachtet wurde, als das CERN ankündigte, ein Teilchen entdeckt zu haben, das wahrscheinlich das lang gesuchte war Higgs-Boson .
Heute gibt es einige Teilchenphysiker, die glauben, dass es noch Leptonen gibt, die darauf warten, gefunden zu werden. Diese Teilchen der „vierten Generation“ würden, wenn sie tatsächlich real sind, jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik existieren und würden wahrscheinlich auf noch exotischere Weise mit Materie wechselwirken.
Wir haben hier bei Universe Today viele interessante Artikel über Leptonen und subatomare Teilchen geschrieben. Hier ist Was sind subatomare Teilchen? , Was sind Baryonen? , Erste Kollisionen des LHC , Zwei neue subatomare Partikel gefunden , und Physiker vielleicht, nur vielleicht, bestätigen die mögliche Entdeckung der 5. Naturkraft.
Für weitere Informationen bietet das virtuelle Besucherzentrum von SLAC eine gute Einführung in Leptonen und schau dir unbedingt die an Partikeldatengruppe (PDG) Übersicht über die Teilchenphysik.
Astronomy Cast hat auch Episoden zu diesem Thema. Hier ist Folge 106: Die Suche nach der Theorie von allem , und Folge 393: Das Standardmodell – Leptonen & Quarks .
Quellen:
