レプトンとは？

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19世紀から20世紀にかけて、物理学者は物質とエネルギーの性質を深く探求し始めました。そうすることで、彼らは彼らを統治する規則が深いものほど行くごとに曖昧になることをすぐに理解しました。支配的な理論は、すべての物質が分割不可能な原子で構成されるというものでしたが、科学者は原子自体がさらに小さな粒子で構成されていることに気付き始めました。

これらの調査から、素粒子物理学の標準モデルが生まれました。このモデルによれば、宇宙のすべての物質は2種類の粒子で構成されています。ハドロン（ラージハドロンコライダー（LHC）の名前の由来）とレプトンです。ハドロンが他の素粒子（クォーク、反クォークなど）で構成されている場合、レプトンはそれ自体で存在する素粒子です。

定義：

レプトンという言葉はギリシャ語に由来します レプトス、「小さい」、「細かい」、または「薄い」を意味します。この言葉の最初の録音された用法は、物理学者のレオンローゼンフェルドによる本の中での使用でした。核軍（1948）。この本の中で、彼はこの単語の使用がデンマークの化学者であり物理学者であるクリスチャンモーラー教授の示唆によるものであると述べています。

ローゼンフェルトの時代に知られている唯一のレプトンはミューオンであったため、この用語は小さな質量の粒子を指すために選択されました。これらの素粒子は電子よりも200倍以上重いですが、陽子の質量の約1/9しかありません。クォークとともに、レプトンは物質の基本的な構成要素であり、したがって「素粒子」と見なされます。

レプトンの種類：

標準モデルによれば、レプトンには6つの異なるタイプがあります。これらには、電子、ミューオン、タウの粒子、およびそれらに関連するニュートリノ（電子ニュートリノ、ミューニュートリノ、タウニュートリノ）が含まれます。レプトンは負の電荷と明確な質量を持っていますが、ニュートリノは中性の電荷を持っています。

電子は最も軽く、質量は0.000511ギガエレクトロボルト（GeV）ですが、ミューオンの質量は0.1066 Gevで、タウ粒子（最も重い）の質量は1.777 Gevです。素粒子のさまざまな種類は、一般に「フレーバー」と呼ばれます。 3つのレプトンのフレーバーはそれぞれ異なり、他の粒子との相互作用の点では異なりますが、不変ではありません。

ニュートリノは、そのフレーバーを変えることができます。このプロセスは、「ニュートリノフレーバーの振動」として知られています。これには、太陽ニュートリノ、大気ニュートリノ、原子炉、ビーム振動など、さまざまな形があります。観測されたすべての場合において、振動は、作成されているニュートリノの数が不足しているように見えることによって確認されました。

観察された原因の1つは、ミューオンがフレーバーを変化させて電子ニュートリノまたはタウニュートリノになるプロセスである「ミューオン崩壊」（以下を参照）に関係しています。さらに、3つすべてのレプトンとそのニュートリノには、関連する反粒子（反跳粒子）があります。

それぞれについて、アンチティレプトンは同じ質量を持っていますが、他のすべての特性は逆になっています。これらのペアリングは、電子/陽電子、ミューオン/アンチミューオン、タウ/アンチタウ、電子ニュートリノ/電子アンチニュートリノ、ミューニュートリノ/ミューアンアンチトリノ、タウニュートリノ/タウアンチニュートリノで構成されています。

現在の標準モデルでは、関連するニュートリノが存在するレプトンのタイプが3つ（「世代」とも呼ばれる）以下であることを前提としています。これは、ビッグバン後の元素合成プロセスをモデル化しようとする実験的証拠と一致します。ビッグバンでは、3つを超えるレプトンの存在が初期宇宙のヘリウムの量に影響を及ぼしていました。

プロパティ：

すべてのレプトンは負の電荷を持っています。また、スピンの形で固有の回転を持っています。これは、電荷を持つ電子、つまり「荷電レプトン」が磁場を生成することを意味します。彼らは弱い電磁力を介してのみ他の物質と相互作用することができます。最終的に、それらの電荷はこれらの相互作用の強さだけでなく、それらの電場の強さ、およびそれらが外部の電場または磁場にどのように反応するかを決定します。

しかし、強い力を介して物質と相互作用することはできません。標準モデルでは、各レプトンは固有質量なしで始まります。荷電レプトンは、ヒッグス場との相互作用によって有効質量を獲得しますが、ニュートリノは質量を持たないか、非常に小さな質量しかありません。

研究の歴史：

特定された最初のレプトンは、イギリスの物理学者J.J.によって発見された電子でした。トムソンとその同僚は、1897年に一連のブラウン管実験を使用しました。次の発見は1930年代に行われたもので、電子に似た相互作用の弱い粒子の新しい分類が作成されます。

最初の発見は、1930年にオーストリア-スイスの物理学者ヴォルフガングパウリによって行われたもので、ベータ崩壊がエネルギー保存法とニュートンの運動の法則（具体的には、保存の法則）に矛盾する方法を解決するために電子ニュートリノの存在を提案しました運動量と角運動量の保存）。

陽電子とミュー粒子は、それぞれ1932年と1936年にカールD.アンダースによって発見されました。ミュオンの質量のために、それは最初は中間子と間違えられました。しかし、その振る舞い（電子の振る舞いに似ている）と強い相互作用を受けなかったという事実のために、ミュー粒子は再分類されました。電子および電子ニュートリノとともに、「レプトン」と呼ばれる新しい粒子グループの一部になりました。

1962年、アメリカの物理学者のチーム（レオンM.リーダーマン、メルビンシュワルツ、ジャックスタインバーガーで構成）はミュー粒子ニュートリノによる相互作用を検出することができ、複数のタイプのニュートリノが存在することを示しました。同時に、理論物理学者はニュートリノの他の多くのフレーバーの存在を仮定しましたが、それは最終的に実験的に確認されるでしょう。

タウ粒子は、ノーベル賞を受賞した物理学者マーティンルイスパールと彼の同僚がSLAC国立加速器研究所で行った実験のおかげで、1970年代に続きました。その関連するニュートリノの証拠は、タウ崩壊の研究のおかげで続き、電子のベータ崩壊によって引き起こされる失われたエネルギーと運動量に類似した失われたエネルギーと運動量を示しました。

2000年には、フェルミラボでのNUタウの直接観測（DONUT）実験のおかげで、タウニュートリノが直接観測されました。これは標準モデルの最後の粒子であり、CERNがヒッグスボソンが長い間求められていたと思われる粒子を検出したと発表した2012年まで続きます。

今日、発見されるのをまだ待っているレプトンがあると信じている素粒子物理学者がいます。これらの「第4世代」の粒子は、実際に存在するとすれば、粒子物理学の標準モデルを超えて存在し、さらにエキゾチックな方法で物質と相互作用する可能性があります。

Space Magazineでは、レプトンと素粒子についての興味深い記事をたくさん書いています。亜原子粒子とは何ですか？バリオンとは何ですか？LHCの最初の衝突、2つの新しい亜原子粒子が見つかりました。物理学者はおそらく、第5の自然の力の発見の可能性を確認しています。

詳細については、SLACの仮想ビジターセンターでレプトンを紹介しています。必ず、Particle Data Group（PDG）Review of Particle Physicsをチェックしてください。

天文学キャストはまた、トピックに関するエピソードを持っています。これがエピソード106：すべての理論の検索、およびエピソード393：標準モデル–レプトンとクォークです。

出典：