轻子

轻子（Lepton）是一种不参与强相互作用、自旋为1/2的基本粒子。^[1]电子是最为人知的一种轻子；大部分化学领域都会涉及到与电子的相互作用，原子不能没有它，所有化学性质都直接与它有关。轻子又分为两类：“带电轻子”与“中性轻子”。带电轻子包括电子、μ子、τ子，可以与其它粒子组合成复合粒子，例如原子、电子偶素等等。 在所有带电轻子中，电子的质量最轻，也是宇宙中最稳定、最常见的轻子；质量较重的μ子与τ子会很快地衰变成电子，μ子与τ子必须经过高能量碰撞制成，例如使用粒子加速器或在宇宙线探测实验。中性轻子包括电中微子、μ中微子、τ中微子；它们很少与任何粒子相互作用，很难被观测到。

轻子

β衰变会发射出两种轻子： e− 与 ν e
组成	基本粒子
系	费米-狄拉克
代	第一代、第二代、第三代
基本相互作用	电磁、引力、弱
符号	l
反粒子	反轻子 ( l )
类型	6 （电子、电中微子、μ子、μ中微子、τ子、τ中微子）
电荷	+1 e、0 e、−1 e
色荷	No
自旋	1⁄2

轻子一共有六种风味，形成三个世代。^[2]第一代是电轻子，包括电子（
e−
）与电中微子 （
ν
e）。第二代是缈轻子，包括μ子（
μ−
）与μ中微子 （
ν
μ）。第三代是陶轻子，包括τ子（
τ−
）与τ中微子（
ν
τ）。

轻子拥有很多内秉性质，包括电荷、自旋、质量等等。轻子与夸克有一点很不相同：轻子不会感受到强作用力。轻子会感受到其它三种基础力：引力、弱作用力、电磁力。但是，由于中微子的电性是中性，中微子不会感受到电磁力。每一种轻子风味都有其对应的反粒子，称为“反轻子”。带电轻子与对应的反轻子唯一不同之处是带有电荷的正负号相反。根据某些理论，中微子是自己的反粒子，但这论点尚未被证实。

在标准模型里，轻子扮演重要角色，电子是原子的成分之一，与质子、中子共同组成原子。在某些被合成的奇异原子里，电子被更换为μ子或τ子。像电子偶素一类的轻子-反轻子粒子也可以被合成。

词源学

英文术语“lepton”源自希腊语“λεπτόν”（leptón），是“λεπτός”（leptós）的中性，含意为"小、薄"。^[3]莱昂·罗森菲尔德于1948年最先为英文术语“lepton”命名。 ^[4]

在克理斯蒂安·莫勒（英语：Christian Møller）教授的建议之后，决定用“lepton”（从“λεπτός”，小、薄）这字来称呼一种小质量的粒子。

这命名不正确地假定所有轻子的质量都很小。在洛森斐命名那时，学术界只知道有电子与μ子两种轻子。它们的质量的确很小，电子的质量为6986818712184856999♠0.511 MeV，^[5]μ子的质量为6989169350054675900♠105.7 MeV，^[6]比质子的质量6990150332219775210♠938.3 MeV轻很多^[7]。可是，在1970年代中期发现的τ子，它的质量是6990284706761739900♠1777 MeV^[8]，几乎是质子的两倍。

历史

马丁·佩尔与他的实验团队发现τ子。

最先被辨识的轻子是电子，英国物理学者约瑟夫·汤姆森与实验团队于1897年发现电子。^{[9] [10]}1930年，沃尔夫冈·泡利大胆假设电中微子存在，这是为了解释β衰变的能量缺失问题，挽救能量守恒定律；泡利认为，所有最初与最终观察到的粒子的能量差，都被一种尚未探测到的粒子带走了，这粒子具有电中性，不会留下轨迹，所以很难探测到。^[11][12]三年后，恩里科·费米给出理论，成功描述β衰变，强力支持泡利的假设。费米将这粒子命名为“中微子”，意思为“微小的中子”。在那时期，电中微子被称为中微子，因为尚未发现其它世代的中微子。1956年，克莱德·科温与弗雷德里克·莱因斯共同完成科温-莱因斯中微子实验（英语：Cowan–Reines neutrino experiment）首先直接观察到中微子的存在。^[12][13]

在电子被发现大约40年之后，卡尔·安德森于1936年发现了μ子。由于它的质量，μ子最初被归类为介子，而不是轻子。^[14]渐渐地，学者发觉μ子的性质更接近电子，只是质量比较大，而且μ子不会感受到强相对作用，不具有介子的性质。1947年，才有学者开始提议一群粒子被归类为轻子的概念。^[12] 后来，μ子被重新归类，μ子、电子与电中微子一起被归类为轻子。1962年 利昂·莱德曼、梅尔文·施瓦茨与杰克·施泰因贝格尔做实验直接探测到μ中微子，证实不只一种中微子存在。^[15]

马丁·佩尔与他的实验团队于1975年完成实验首先探测到τ子。^[16]如同电子与μ子，物理学者认为它应该也有伴随的中微子，这是因为他们观察到类似β衰变的缺失能量问题。费米实验室的直接观察τ中微子实验（Direct Observation of the NU Tau，DONUT ）团队于2000年探测到τ中微子参与作用的证据。^[17]

虽然现有数据符合三个世代的轻子，有些粒子物理学者仍在寻找第四代带电轻子。这种带电轻子的质量下限为6992161499389889600♠100.8 GeV，^[18]伴随它的中微子最少应该带有质量6991720979419149999♠45.0 GeV。^[19]

性质

自旋与手征性

右手螺旋性（${\displaystyle \mathbf {P} }$、${\displaystyle \mathbf {S} }$同向）与左手螺旋性（${\displaystyle \mathbf {P} }$、${\displaystyle \mathbf {S} }$反向）。

轻子是自旋1⁄2粒子，只能处于两种自旋态：上旋或下旋。自旋统计定理将它们按照自旋归类为费米子，遵守泡利不相容原理，因此任何两个全同的轻子不能同时占有相同的量子态。^[20]:28-29

手征性与螺旋性（helicity）是与自旋紧密相关的两种性质，螺旋性跟粒子的自旋与动量之间的相对方向有关；假若是同向，则粒子具有右手螺旋性，否则粒子具有左手螺旋性。对于不带质量粒子，这相对方向与参考系无关，可是，对于带质量粒子，由于可以借着洛伦兹变换来改换参考系，从不同的参考系观察，粒子动量不同，因此翻改螺旋性，可以从右手螺旋性翻改为左手螺旋性，或从左手螺旋性翻改为右手螺旋性。手征性是通过庞加莱群（Poincaré group）的变换来定义的性质。对于不带质量粒子，手征性与螺旋性一致；对于带质量粒子，手征性与螺旋性有别。^{[21]:137-138, 338-340}

在很多量子场论里，例如量子电动力学与量子色动力学，并没有对左手与右手费米子作任何区分，可是，在标准模型的弱相互作用理论里，按照手征性区分的左手与右手费米子被非对称地处理，只有左手费米子参与弱相互作用，右手中微子不存在。这是宇称违反的典型例子。^{[21]:ch 9.7}

电磁相互作用

轻子-光子相互作用。

轻子的电荷${\displaystyle Q}$决定了它所产生的电磁场，也决定了它怎样响应外电磁场。轻子的每个世代的组员都有一个带电轻子${\displaystyle Q=-1}$与一个中性轻子${\displaystyle Q=0}$，例如，第一代轻子为电子
e−
与电中微子
ν
e。

使用量子场论的语言，带电轻子所涉及的电磁相互作用表达为这轻子与电磁场的量子（光子）彼此之间的相互作用。右图是电子-光子相互作用的费曼图。

由于轻子具有自旋，带电轻子会产生磁场，磁偶极矩${\displaystyle \mu }$为

${\displaystyle \mu =g{\frac {Qe\hbar }{4m}}}$；

其中，${\displaystyle m}$是轻子的质量，${\displaystyle g}$是轻子的g-因数（g-factor）。

一阶近似量子力学预测，对于所有轻子，g-因数为2；可是高阶量子效应，因为费曼图里的虚粒子圈对于这数字给出修正。这些修正，称为反常磁偶极矩（anomalous magnetic dipole moment），对于量子场论模型的细节非常敏感，因此是准确检验标准模型的好机会。对于电子测量其反常磁偶极矩所得到的实验数值符合理论结果至8个有效数字。^[22]:197

弱相互作用

第一代轻子的弱相互作用。

在标准模型里，轻子可以按照手征性分为左手轻子与右手轻子；左手轻子的弱同位旋T为1⁄2，左手带电轻子与左手中微子的弱同位旋投影（弱同位旋的第三分量）T₃分别为-1⁄2、+1⁄2，弱相互作用是由它们组成二重态（doublet state）(
ν
e_L,
e−
_L)共同实现；右手带电轻子的弱同位旋T为0，形成单态，不参与弱相互作用；右手中微子并不存在。^[21]:342-344

希格斯机制将弱同位旋SU(2)与弱超荷U(1)对称的四个规范场，重新组合成传递弱相对作用的三个带质量玻色子 （
W+
、
W−
、
Z0
）与传递电磁相对作用的不带质量玻色子（光子）。通过盖尔曼-西岛方程，可以从弱同位旋投影T₃与弱超荷Y_W计算出电荷Q：

${\displaystyle Q=T_{3}+Y_{W}/2}$。

为了符合观察到的任何粒子所带有的电荷，所有左手弱同位旋二重态(
ν
e_L,
e−
_L)的弱超荷Y_W必须为-1，而右手弱同位旋单态(
e−
_R)的弱超荷Y_W必须为-2。

质量

在标准模型里，每一个轻子原本不具有内秉质量；通过与希格斯场耦合，带电轻子获得有效质量，但中微子仍旧不带质量，这意味着不同世代的带电轻子不会相互混合，与夸克的物理行为大不相同。这结果符合当今实验数据。^[22]:27

但是，从实验中得知（最显著的是中微子振荡实验），^[23]中微子实际带有微小质量，大约小于6981320435297400000♠2 eV。^[24]这意味着后标准模型 （beyond the Standard Model）的物理现象。当今最被物理学者青睐的理论延伸是翘翘板机制，它可以解释为什么左手中微子的质量远轻于对应的带电轻子，为什么做实验尚未能观察到任何右手中微子。

轻子数

主条目：轻子数

每一代轻子的成员组成一个弱同位旋二重态：

${\displaystyle {\binom {\nu _{e}}{e^{-}}}}$、${\displaystyle {\binom {\nu _{\mu }}{\mu ^{-}}}}$、${\displaystyle {\binom {\nu _{\tau }}{\tau ^{-}}}}$。

每一代弱同位旋二重态的成员都被分派一个轻子数。在标准模型里，轻子数守恒。^[25]:27-49电子与电中微子的电子数L_e为1。μ子与μ中微子的μ子数L_μ为1。τ子与τ中微子的τ子数L_τ为1。 反轻子的轻子数为对应轻子的轻子数乘以−1。

轻子数守恒的意思就是同类氢子数的代数和保持不变，当粒子耦合时；这意味着只有同一代的轻子与反轻子才能成对产生。例如，以下过程是被允许的：

e−
+
e+
→
γ
+
γ
、

τ−
+
τ+
→
Z0
+
Z0
。

以下过程是不被允许的：

γ
→
e−
+
μ+
、

W−
→
e−
+
ν
τ 、

Z0
→
μ−
+
τ+
。

但是，中微子振荡违反单独轻子数守恒，这是后标准模型物理的确凿证据。更强的守恒定律是总轻子数守恒。中微子振荡遵守总轻子数守恒。但是，手征反常（英语：chiral anomaly）稍微违反了这守恒定律。

普适性

轻子与对应的中微子之间的相互作用与风味无关，换句话说，对于电子与电中微子之间的相互作用、μ子与μ中微子之间的相互作用、τ子与τ中微子之间的相互作用，假若将质量差别纳入考量，则这三种相互作用的效应相等。这性质称为轻子相互作用的“普适性”。所有已知实验数据与这种普适性一致^[25]:36-38做实验测量τ子与μ子的平均寿命，或Z玻色子衰变为轻子的部分衰变宽度，可以检验这性质。在大型正负电子对撞机与斯坦福直线加速器里，完成了很多这类检验普适性的实验。^{[26]:241-243[27]:138}

对于过程
μ−
→
e−
+
ν
e +
ν
μ ，μ子的衰变率${\displaystyle \Gamma }$以方程表示为（更详尽内容，请参阅μ子衰变）^[25]:36-38

${\displaystyle \Gamma \left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)=K_{1}G_{F}^{2}m_{\mu }^{5}}$；

其中，${\displaystyle K_{1}}$是常数，${\displaystyle G_{F}}$是费米耦合常数，${\displaystyle m_{\mu }}$是μ子的质量。

对于过程
τ−
→
e−
+
ν
e +
ν
τ ，τ子的衰变率${\displaystyle \Gamma }$以同样形式的方程表示为

${\displaystyle \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)=K_{2}G_{F}^{2}m_{\tau }^{5}}$；

其中，${\displaystyle K_{2}}$是常数，${\displaystyle m_{\tau }}$是τ子的质量。

μ子-τ子普适性意味着${\displaystyle K_{1}=K_{2}}$。普适性也能够解释μ子寿命与τ子寿命之间的关系。轻子的寿命${\displaystyle L_{l}}$与衰变率${\displaystyle \Gamma }$之间的关系为

${\displaystyle L_{l}={\frac {1}{\Gamma _{total}}}={\frac {B\left(l^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{l}\right)}{\Gamma \left(l^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{l}\right)}}}$；

其中，${\displaystyle B(x\rightarrow y)}$与${\displaystyle \Gamma (x\rightarrow y)}$分别标记过程${\displaystyle x\rightarrow y}$的分支比与共振宽度。

τ子与μ子的寿命比因此为

${\displaystyle {\frac {L_{\tau }}{L_{\mu }}}={\frac {B\left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)}{B\left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)}}\left({\frac {m_{\mu }}{m_{\tau }}}\right)^{5}}$。

从实验获得的μ子分支比与τ子分支比，可以计算出寿命比为大约6993132800000000000♠1.328×10⁻⁷，实验测量得到的寿命比为 ~6993132299999999999♠1.323×10⁻⁷。两者之差异是因为${\displaystyle K_{1}}$、${\displaystyle K_{2}}$实际并不是常数，它们与轻子的质量有关。

另外，由于电子-μ子普适性，τ子衰变为电子的分支比(17.85%) 与衰变为μ子的分支比 (17.36%) 相同（在误差范围内）：^[8]

${\displaystyle \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)=\Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow \mu ^{-}+{\bar {\nu _{\mu }}}+\nu _{\tau }\right)}$。

轻子列表

粒子／反粒子名字	符号	电荷 (e)	自旋	Le	Lμ	Lτ	质量（MeV）	寿命 (秒)	通常衰变
电子 / 正子[5]	e− / e+	−1/+1	1⁄2	+1/−1	0	0	6999510998910000000♠0.510998910(13)	稳定	稳定
μ子 / 反μ子[6]	μ− / μ+	−1/+1	1⁄2	0	+1/−1	0	7002105658366800000♠105.6583668(38)	6994219701899999999♠2.197019(21)×10−6	e− + ν e + ν μ
τ子 / 反τ子[8]	τ− / τ+	−1/+1	1⁄2	0	0	+1/−1	7003177684000000000♠1776.84(17)	6987290600000000000♠2.906(10)×10−13	http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s035.pdf （页面存档备份，存于互联网档案馆）
电中微子 / 反电中微子[24]	ν e / ν e	0	1⁄2	+1/−1	0	0	< 6994220000000000000♠0.0000022[28]	未知
μ中微子 / 反μ中微子[24]	ν μ / ν μ	0	1⁄2	0	+1/−1	0	< 0.17[28]	未知
τ中微子 / 反τ中微子[24]	ν τ / ν τ	0	1⁄2	0	0	+1/−1	< 15.5[28]	未知

参阅

• 粒子列表
• 夸克

参考文献

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