Leptoi

Partikulen fisikan, leptoiak spin erdia duten eta elkarrekintza nuklear bortitza jasaten ez duten partikula elementalak dira, fermioi motakoak, hain zuzen ere.

Kargaren arabera, bi multzotan sailkatzen dira. Alde batetik, karga negatibodunak: elektroia, muoia eta tau partikula, elektroia izanik leptoi ezagunena. Bestetik, karga neutrodunak, neutrino izenez ezagutuak: elektroi-neutrinoa, muoi-neutrinoa eta tau-neutrinoa.

Aipatu bezala, guztira sei leptoi mota ditugu, zapore deritzenak. Karga negatibodun leptoi bakoitzak elkartutako neutrino bat du, eta, horrela, leptoien hiru “belaunaldi” edo “familia” sortzen dituzte. Lehen belaunaldikoak, leptoi elektroniko ere deiturikoak, elektroia (e^-) eta elektroi-neutrinoa (ν_e) dira. Bigarren belaunaldikoak, alegia, leptoi muonikoak, muoia (μ^-) eta muoi-neutrinoa (ν_μ) dira; eta hirugarrenekoak, leptoi tauonikoak direnak, tau partikula (τ⁻) eta tau neutrinoa (ν_τ) dira.

Leptoiek hainbat propietate intrintseko dituzte: karga elektrikoa, spina eta masa, adibidez. Quarkek eta leptoiek elkarrekintza ahula eta grabitatorioa jasaten dute, baina lehenengoak bakarrik dira elkarrekintza bortitza jasaten dutenak. Elkarrekintza elektromagnetikoaren eragina partikula guztiek jasaten dute, baina, berau kargaren proportzionala denez, neutrinoen kasuan nulua izango da, hauek karga neutroa baitute.

Historia

1897an, J.J Thomsonek^[1], bere taldearekin batera^[2]^[3], lehenengo leptoia aurkitu zuen^[4]^[5]^[6]: elektroia. 1930an, Wolfgang Paulik elektroi-neutrinoa postulatu zuen, energiaren, momentu linealaren eta momentu angeluarraren kontserbazioa mantentzeko beta desintegrazioan. Paulik ikusi zuen hasierako eta amaierako partikulen artean energiaren, momentuaren eta momentu angeluarraren diferentzia bat zegoela eta, beraz, diferentzia honen arrazoia detektatu gabeko partikula bat zela teorizatu zuen. Partikula hori neutrino izenez ezagutzen zen, garai hartan ez zekitelako partikula hauek zapore desberdinak izan ditzaketela.

Elektroia aurkitu eta 40 urte geroago, 1936an, Carl D. Andersonek muoia aurkitu zuen. Hasiera batean partikula hau mesoitzat hartu zuten arren, argi geratu zen elektroiaren antzekoagoa zela^[7]. Izan ere, muoiek ez dute elkarrekintza bortitzik jasaten. Ondorioz, elektroia, neutrinoa eta muoia talde berri batean sailkatu zituzten: leptoiak.

1962an, Leon M. Ledermanek, Melvin Schwartzek eta Jack Steinbergerrek^[8] neutrino^[9] mota bat baino gehiago zeudela frogatu zuten lehen aldiz muoi-neutrinoaren elkarrekintzak hauteman zituztenean. Aurkikuntza honi esker Nobel Saria irabazi zuten 1988an, nahiz eta garai hartan jada teorizatuta zegoen neutrinoek zapore desberdinak izan ditzaketela.

Tau partikula 1974 eta 1977 urteen artean atzeman zuen lehen aldiz Martin Lewis Perl-ek SLAC LBL taldeko^[10] kideekin batera egindako hainbat esperimentutan. Elektroiarekin eta muoiarekin gertatzen den bezala, tau partikulak ere neutrino elkartu bat izatea espero zen. Aurretik aipatutako beta desintegrazioaren antzera, tau desintegrazioan energiaren eta momentuaren “galera” bat zegoela ikusi zen eta, horrela, tau-neutrinoaren lehen ebidentzia esperimentala lortu zen. Partikula honen elkarrekintzen lehen aurkikuntza 2000. urtean iragarri zen Fermilab-en (Fermi Laborategi Nazionala) egindako DONUT (Direct observation of the nu tau) esperimentua. Hau izan zen zuzenean behatutako Eredu Estandarreko bigarren partikula^[11].

Gaur egungo datuak leptoien hiru belaunaldiekin bat datozen arren, partikulen fisikan lan egiten duten hainbat fisikari laugarren belaunaldi baten bila dabiltza. Laugarren leptoi honen masaren behe limitea 100,8 GeV/c² da eta elkartutako neutrinoaren masarena 45,0 GeV/c²^[12].

Propietateak

Spina eta kiralitatea

Leptoiak ½ balioko spina duten partikulak dira. Spinaren estatistikaren teoremak dioenez, leptoiak fermioiak dira. Hori dela eta, Pauliren esklusio-printzipioa betetzen dute, zeinek mota berdineko bi leptoi egoera berdinean egotearen ezintasuna adierazten duen. Are gehiago, leptoi batek bi egoera izan ditzake soilik, spin up edo spin down izenekoak.

Hertsiki lotutako propietate bat kiralitatea da eta horrek lotura estua du helizitate izeneko propietatearekin. Partikula baten helizitatea dagokio spinak bere momentuaren norabidearekiko daukan norabideari: partikula baten spinaren eta momentuaren norabidea bera denean, partikula eskuina deritzo; eta, norabideak aurkakoak direnean, berriz, ezkerra.

Partikula bat masagabea denean, bere helizitatea ez da aldatuko erreferentzia-sistema edozein delarik. Masadun partikularentzat, aldiz, helizitatea erreferentzia-sistemarekin alda daiteke.

Elkarrekintza elektromagnetikoa

Leptoien propietate nabarmenetako bat beraien karga elektrikoa da: Q. Kargak zehazten du, alde batetik, partikulak sortutako eremu elektrikoaren indarra (ikus Coulomben legea), eta, bestetik, partikula batek kanpo eremu elektriko edo magnetiko batekiko nola erantzuten duen (ikus Lorentzen indarra).

Eremu-teoria kuantikoaren arabera, partikulek eta fotoiek elkarri eragiten diote eta, horrela, leptoi kargatuen elkarrekintza elektromagnetikoa adierazten da.

Eskuinean, elektroiaren eta fotoiaren arteko elkarrekintzaren Feynman-en diagrama ageri da.

Leptoi kargatuek eremu magnetiko bat sortzen dute, hauek duten errotazio intrintsekoaren ondorioz. Horrelakoan, momentu dipolar magnetikoa, μ, honela adierazten da:

$\mu =g{\frac {Q\hbar }{4m}}$ ,

non m leptoiaren masa den eta g “g faktorea“ den.

Elkarrekintza ahula

Eredu Estandarrean, helizitate negatiboa duten leptoi kargatuak eta neutrinoak bikote bat eratzen dute. Bi partikula hauek elkarrekintza ahularen eragina jasaten dute.

Honez gain, helizitate positiboko leptoi kargatuak ez du elkarrekintza ahularen eragina jasaten. Bestalde, oraindik ez da propietate hau duen neutrinorik aurkitu.

Higgs mekanismoak SU(2) isospin ahularen eta U(1) hiperkarga ahularen gauge eremuak birkonbinatzen ditu, eta horrela elkarrekintza ahularen bitartekari diren hiru bosoi bektorial masibo sortzen dira (W⁺, W^-, eta Z⁰). Gainera, fotoia ere sortzen da, hots, masarik gabeko bosoia, interakzio elektromagnetikoaren bitartekaria dena.



Lehenengo belaunaldiko leptoien elkarrekintza ahula.

Leptoien eta elkarrekintza ahularen bitartekariak diren bosoien arteko elkarrekintza eskuineko irudian agertzen da.

Masa

Eredu Estandarraren arabera, hasieran leptoiek ez dute masa intrintsekorik, hau da, partikula hauek sortzen direneko lehen unean ez dute masarik. Higgsen eremua espazio osoa betetzen duen eremua da eta leptoiek honen eragina jasatean masa irabazten dute. Zenbat eta handiagoa izan elkarrekintzaren intentsitatea, orduan eta handiagoa da irabazitako masa. Hau ulertzeko, Higgsen eremua itsasgarritzat har dezakegu eta, orduan, partikulak bertatik igarotzean, masa “itsatsita” geratzen zaie. Hala ere, praktikan, ez dago denbora tarte bat non partikula hauen masa nulua den. Sortzen diren unetik partikulek Higgsen eremuaren eragina jasaten dute, eta, beraz, masa eskuratzen dute.

Aipatutakoa, ordea, leptoi kargatuekin (elektroiak, muoiak eta tauoiak) gertatzen da soilik. Eredu Estandarrak dioenaren arabera, neutrinoek ez dute eremuaren eragina jasaten eta euren masa nulua da. Dena dela, zeharkako esperimentuek frogatu dute neutrinoek masa txiki bat izan behar dutela^[13].

Ikus, gainera

Erreferentziak

↑ (Ingelesez) Thomson, J. J.. (1897-10). «XL. Cathode Rays» The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 44 (269): 293–316. doi:10.1080/14786449708621070. ISSN 1941-5982. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).
↑ Weinberg, Steven. (2003). The discovery of subatomic particles. (Rev. ed. argitaraldia) Cambridge Univ. Press ISBN 978-0-521-82351-7. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).
↑ Wilson, Sir Robert. (1997). Astronomy Through the Ages: The Story of the Human Attempt to Understand the Universe. (1st ed. argitaraldia) Taylor & Francis Group ISBN 978-0-7484-0748-4. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).
↑ (Ingelesez) Farrar, W.V.. (1969-09). «Richard Laming and the coal-gas industry, with his views on the structure of matter» Annals of Science 25 (3): 243–253. doi:10.1080/00033796900200141. ISSN 0003-3790. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).
↑ Arabatzis, Theodore. (2011). Representing Electrons: A Biographical Approach to Theoretical Entities. University of Chicago Press ISBN 978-0-226-02421-9. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).
↑ Buchwald, Jed Z., ed. (2001). Histories of the electron: the birth of microphysics. MIT Press ISBN 978-0-262-52424-7. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).
↑ (Ingelesez) Neddermeyer, Seth H.; Anderson, Carl D.. (1937-05-15). «Note on the Nature of Cosmic-Ray Particles» Physical Review 51 (10): 884–886. doi:10.1103/PhysRev.51.884. ISSN 0031-899X. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).
↑ (Ingelesez) Danby, G.; Gaillard, J-M.; Goulianos, K.; Lederman, L. M.; Mistry, N.; Schwartz, M.; Steinberger, J.. (1962-07-01). «Observation of High-Energy Neutrino Reactions and the Existence of Two Kinds of Neutrinos» Physical Review Letters 9 (1): 36–44. doi:10.1103/PhysRevLett.9.36. ISSN 0031-9007. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).
↑ (Ingelesez) Reines, Frederick; COWANjun., Clyde L.. (1956-09-01). «The Neutrino» Nature 178 (4531): 446–449. doi:10.1038/178446a0. ISSN 0028-0836. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).
↑ (Ingelesez) Perl, M. L.; Abrams, G. S.; Boyarski, A. M.; Breidenbach, M.; Briggs, D. D.; Bulos, F.; Chinowsky, W.; Dakin, J. T. et al.. (1975-12-01). «Evidence for Anomalous Lepton Production in e + − e − Annihilation» Physical Review Letters 35 (22): 1489–1492. doi:10.1103/PhysRevLett.35.1489. ISSN 0031-9007. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).
↑ (Ingelesez) Kodama, K.; Ushida, N.; Andreopoulos, C.; Saoulidou, N.; Tzanakos, G.; Yager, P.; Baller, B.; Boehnlein, D. et al.. (2001-04). «Observation of tau neutrino interactions» Physics Letters B 504 (3): 218–224. doi:10.1016/S0370-2693(01)00307-0. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).
↑ (Ingelesez) Amsler, C.; Doser, M.; Antonelli, M.; Asner, D.M.; Babu, K.S.; Baer, H.; Band, H.R.; Barnett, R.M. et al.. (2008-09). «Review of Particle Physics» Physics Letters B 667 (1-5): 1–6. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).
↑ Peskin, Michael Edward; Schroeder, Daniel V.. (2019). An introduction to quantum field theory. CRC Press, Taylor & Francis Group ISBN 978-0-201-50397-5. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).

[1] (Ingelesez) Thomson, J. J.. (1897-10). «XL. Cathode Rays» The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 44 (269): 293–316. doi:10.1080/14786449708621070. ISSN 1941-5982. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).

[2] Weinberg, Steven. (2003). The discovery of subatomic particles. (Rev. ed. argitaraldia) Cambridge Univ. Press ISBN 978-0-521-82351-7. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).

[3] Wilson, Sir Robert. (1997). Astronomy Through the Ages: The Story of the Human Attempt to Understand the Universe. (1st ed. argitaraldia) Taylor & Francis Group ISBN 978-0-7484-0748-4. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).

[4] (Ingelesez) Farrar, W.V.. (1969-09). «Richard Laming and the coal-gas industry, with his views on the structure of matter» Annals of Science 25 (3): 243–253. doi:10.1080/00033796900200141. ISSN 0003-3790. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).

[5] Arabatzis, Theodore. (2011). Representing Electrons: A Biographical Approach to Theoretical Entities. University of Chicago Press ISBN 978-0-226-02421-9. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).

[6] Buchwald, Jed Z., ed. (2001). Histories of the electron: the birth of microphysics. MIT Press ISBN 978-0-262-52424-7. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).

[7] (Ingelesez) Neddermeyer, Seth H.; Anderson, Carl D.. (1937-05-15). «Note on the Nature of Cosmic-Ray Particles» Physical Review 51 (10): 884–886. doi:10.1103/PhysRev.51.884. ISSN 0031-899X. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).

[8] (Ingelesez) Danby, G.; Gaillard, J-M.; Goulianos, K.; Lederman, L. M.; Mistry, N.; Schwartz, M.; Steinberger, J.. (1962-07-01). «Observation of High-Energy Neutrino Reactions and the Existence of Two Kinds of Neutrinos» Physical Review Letters 9 (1): 36–44. doi:10.1103/PhysRevLett.9.36. ISSN 0031-9007. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).

[9] (Ingelesez) Reines, Frederick; COWANjun., Clyde L.. (1956-09-01). «The Neutrino» Nature 178 (4531): 446–449. doi:10.1038/178446a0. ISSN 0028-0836. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).

[10] (Ingelesez) Perl, M. L.; Abrams, G. S.; Boyarski, A. M.; Breidenbach, M.; Briggs, D. D.; Bulos, F.; Chinowsky, W.; Dakin, J. T. et al.. (1975-12-01). «Evidence for Anomalous Lepton Production in e + − e − Annihilation» Physical Review Letters 35 (22): 1489–1492. doi:10.1103/PhysRevLett.35.1489. ISSN 0031-9007. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).

[11] (Ingelesez) Kodama, K.; Ushida, N.; Andreopoulos, C.; Saoulidou, N.; Tzanakos, G.; Yager, P.; Baller, B.; Boehnlein, D. et al.. (2001-04). «Observation of tau neutrino interactions» Physics Letters B 504 (3): 218–224. doi:10.1016/S0370-2693(01)00307-0. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).

[12] (Ingelesez) Amsler, C.; Doser, M.; Antonelli, M.; Asner, D.M.; Babu, K.S.; Baer, H.; Band, H.R.; Barnett, R.M. et al.. (2008-09). «Review of Particle Physics» Physics Letters B 667 (1-5): 1–6. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).

[13] Peskin, Michael Edward; Schroeder, Daniel V.. (2019). An introduction to quantum field theory. CRC Press, Taylor & Francis Group ISBN 978-0-201-50397-5. (Noiz kontsultatua: 2024-11-28).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]