Лептоны

Лептоны — группа частиц, не участвующих в сильном взаимодействии (название происходит от греческого слова «лептос» — «легкий»). Все лептоны имеют спин 1/2. Различают заряженные лептоны — электрон е^-, мюон μ^- тяжелый лептон τ^- и соответствующие им античастицы е⁺, μ⁺ и τ⁺ (см. Антивещество) и нейтральные — различного вида нейтрино, о которых рассказано в отдельной статье.

Первым из заряженных лептонов был открыт электрон — в 1897 г. английским ученым Дж. Дж. Томсоном (см. Электрон). Его античастица — позитрон — была найдена в 1932 г. в космических лучах американским физиком К. Андерсоном. В 1936 г. также при изучении космических лучей были обнаружены мюоны μ^- и μ⁺ (К. Андерсон и С. Неддермейер). Сначала произошла маленькая путаница: мюоны попытались отождествить с частицей, которая, согласно теории японского физика X. Юкавы, переносила сильные взаимодействия. Вскоре, впрочем, выяснилось, что к сильным взаимодействиям мюон отношения не имеет (частицами, предсказанными Юкавой, оказались открытые в 1947 г. π-мезоны). И тогда возникла загадка мюона. Дело в том, что мюон удивительно похож на электрон: у них одинаковый электрический заряд, спин, оба они участвуют лишь в слабых и электромагнитных взаимодействиях, причем аналогичным образом. Единственное видимое их отличие заключается в массе: мюон в 206,8 раза тяжелее электрона (современное значение его массы m_μ = 105,659 43 МэВ/c² ≈ 1,88•10^-25г). Из-за большей величины массы мюон утерял стабильность, время его жизни ≈2,2•10^-6 с.

Электрон стабилен, так как ему просто не на что распадаться. Действительно, из-за сохранения электрического заряда распад электрона был бы возможен только с испусканием более легких заряженных частиц, но о существовании таких частиц до сих пор ничего не известно. Если бы закон сохранения заряда не являлся вполне точным законом природы, то электрон мог бы распасться, например, на нейтрино и фотон. Поиски таких распадов, однако, не увенчались успехом и показали, что время жизни электрона, по крайней мере, больше чем 10²² лет (для сравнения: наша Вселенная существует «всего» около 2•10¹⁰ лет). Поэтому в современных теориях электрон считается стабильной частицей. Заметим все же, что экспериментальные пределы для времени жизни протона выглядят еще внушительнее (не менее 10³² лет), но теории, в которых он может распадаться, в последнее время стали очень популярны (см. Единство сил природы).

С распадом мюона дело обстоит проще, он может распадаться и в действительности распадается на электрон и пару нейтрино разных сортов: μ^- → e^- + ṽ_e + v_μ. За этот распад ответственны слабые взаимодействия. Экспериментальное значение времени жизни мюона хорошо согласуется с теоретическими расчетами. Разумеется, аналогичным образом происходит и распад положительно заряженного мюона: μ⁺ → e^- + v_e + ṽ_μ

Не успев еще разобраться в загадке мюона, физики открыли третий заряженный лептон τ (тау-лептон). Он был обнаружен в 1975 г. в опытах на встречных электрон-позитронных пучках в Станфорде (США) группой физиков во главе с М. Перлом при аннигиляции электрона и позитрона очень больших энергий. Тяжелый тау-лептон имеет массу почти в 3500 раз большую, чем масса электрона (m_τ~1784 МэВ/с²). Он даже почти в 2 раза тяжелее протона. Время жизни τ-лептона с достаточной точностью было измерено лишь в 1981 г.— 3,4•10^-13 с. Такое время жизни показывает, что слабые взаимодействия τ-лептонов очень похожи на слабые взаимодействия электронов и мюонов (следует иметь в виду, что чем тяжелее частица, тем быстрее, при прочих одинаковых условиях, она распадается на более легкие (см. Слабые взаимодействия). Имеющиеся данные позволяют утверждать, что и в остальном т-лептон подобен электрону и мюону (так называемая е-μ-τ>-универсальность).

Заряженные лептоны объединены еще одним свойством: в современных теориях все они представляются точечными объектами, не имеющими, в отличие от адронов, внутренней структуры. Эксперименты на самых мощных ускорителях при максимально достижимых в настоящее время энергиях показывают, что это справедливо, по крайней мере, вплоть до расстояний ≈ 10^-16 см.

Наблюдая за реакциями с участием лептонов, ученые обнаружили, что всегда остается постоянной разность числа лептонов и анти-лептонов. Для описания этого свойства ввели особое квантовое число — лептонный заряд L, условно приписав значение L=1 отрицательно заряженным лептонам и сопутствующим им нейтрино, а значение L=—1 — их античастицам. Тогда указанное явление сводится к закону сохранения лептонного заряда. Например, в реакции бетараспада нейтрона n → р + е^- + ṽ_e вместе с электроном (L=1) должно родиться электронное антинейтрино (L=—1). Позднее установили, что электронное и мюонное нейтрино не тождественны друг другу, и пришлось ввести различные, сохраняющиеся независимо лептонные заряды L_e и L_μ. По-видимому, существует и третий тип лептонного заряда, связанный с тяжелым лептоном и его нейтрино.

Пока не наблюдалось случаев нарушения закона сохранения лептонного заряда. Скажем, этот закон запрещает безнейтринные распады мюона вроде μ^- → e^- + γ и т. п. Отношение вероятностей запрещенного и обычного распадов мюона оценивалось в экспериментах и оказалось меньшим 10^-9—10^-10. Поиск запрещенных распадов представляет большой интерес, так как не исключена возможность обнаружения несохранения лептонного заряда. Следует подчеркнуть, что лептонный заряд не является источником какого-то «лептонного» поля, а введен исключительно для объяснения наблюдаемых на опыте закономерностей реакций с участием лептонов.

Появившиеся в последнее время теории, основанные на представлениях о единстве сил природы, предсказывают неустойчивость протона и одновременно нарушение сохранения лептонного заряда (например, в процессе p → e⁺ + π⁰).

В чем же заключается причина существования разных типов лептонов с близкими свойствами и сильно различающимися массами? Какова природа лептонных зарядов? И нет ли еще других, пока что неизвестных нам лептонов? Сейчас на эти вопросы еще нет ответа. Решение их связано не только с лептонами, но и с другими истинно элементарными частицами — кварками, представляющими собой основные структурные элементы мира сильновзаимодействующих частиц (см. Кварки, Адроны). Кварки тоже сильно различаются по массам и обладают своими специфическими «зарядами». Пары кварков объединяются вместе с парами лептонов (заряженным лептоном и соответствующим нейтрино) в так называемые поколения элементарных частиц. Многие свойства частиц повторяются из поколения в поколение, а массы поколений сильно различаются между собой: второе поколение (в него входят мюоны) тяжелее первого (с электронами), а третье поколение (включающее τ-лептоны) тяжелее второго. Исследования многих загадок этих поколений еще только начинаются.