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轻子

轻子(lepton)是指不参与强相互作用的自旋为 /2 的费米子。轻子包括电子、μ子、τ粒子和与之相应的中微子(νe、νμ和ντ以及它们的反粒子)。电子e、μ和τ粒子的质量分别为0.51兆电子伏、105.66兆电子伏和1,776.99兆电子伏,它们都带有一个单位的负电荷。它们的反粒子e+、μ+和τ+带有一个单位的正电荷。中微子及其反粒子不带电,是中性粒子,近年来实验结果表明中微子具有非零的静质量。 [1]

关于物质的基本组元和它们之间相互作用的实验和理论研究,已经揭示了粒子物理世界的许多奥秘。我们现在已经知道,构成一切物质的基本砖块有两大家族:轻子和夸克,它们都是费米子。传递夸克、轻子之间相互作用的是规范玻色子,光子传递电磁力,胶子传递强力,W和Z传递弱力。 [2]

轻子家族的粒子有六种味,它们具有以下两个重要性质:(1)轻子不参与强力的相互作用,只受电磁力和弱力的影响;(2)轻子数守恒,即轻子只能以粒子反粒子成对地产生或湮灭,总的轻子数(轻子数目减去反轻子数目)在已知的一切物理过程中保持不变。

已知的六种味的轻子成对出现,每一对包括一种荷电轻子和一种被称为中微子的中性轻子。 [2]

轻子参与的所有弱相互作用和电磁相互作用过程中,发现存在一个守恒的量子数,称为轻子数。电子e、μ和τ粒子的轻子数为+1,相应的反粒子的轻子数为-1。对所有的反应过程,轻子数的代数和在反应前后不变,并且电子轻子数、μ子轻子数和τ子轻子数也分别保持不变。与电荷守恒不同,电荷守恒与电磁相互作用相联系,而轻子数守恒没有已知的相互作用为根据,只是实验上发现它总是守恒。 [1]

1962年实验上发现存在两种中微子νe和νμ,它们分别与电子和μ子相联系,因此轻子数守恒又分解为电子数(e和νe粒子数减去e+和νe粒子数)和μ子数(μ和νμ粒子数减去μ+和νμ粒子数)分别守恒。1975年M.佩尔等在e+e对撞实验中发现了一个新的轻子τ,它带负电或正电,衰变成μ子或电子和两个中微子。它的质量为1,776.99兆电子伏,接近质子质量的两倍,所以又称重轻子。2000年实验上发现了与τ粒子相应的中微子ντ。同样,在轻子参与的所有过程中,τ轻子数也是守恒的。除τ粒子外,前二类轻子(e、νe和μ、νμ)的性质已有较充分的研究,它们的性质非常类似,仅质量有很大差别,解释这个现象是粒子物理学理论中的一个尚待解决的重要课题。 [1]


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