CMSMarele accelerator de particule Large Hadron Collider de la CERN va fi închis până în anul 2015, dar experimentele vor fi reluate în a doua jumătate a acestui an în cadrul unor sincrotroane mult mai mici cu care se studiază descompunerea particulelor în electroni, miuoni şi neutrini, toate aceste particule făcând parte dintr-o familie de particule denumite leptoni.

 

 

 

 

CMS LHC
Miuonii, un tip de leptoni, sunt studiaţi în cadrul Large Hadron Collider, dar ce sunt leptonii ? Credit: CERN


Deci, ce sunt leptonii? Mai întâi să începem cu câteva noţiuni de bază.

Materia este alcătuită din atomi, iar atomii sunt formaţi din electroni şi nuclee. Legătura dintre acestea este realizată prin intermediul forţei electromagnetice.

Electronii au o sarcină electrică negativă şi masa lor este mică în comparaţie cu cea a nucleelor. Nucleele atomice sunt alcătuite din protoni şi neutroni. La rândul lor, protonii şi neutronii sunt alcătuiţi din particule punctiforme denumite quarcuri „up" şi „down".

Pe baza a ceea ce ştim în prezent electronii sunt particule elementare, punctiforme, fără structură internă.

Quarcuri şi leptoni

Aşa-numitul model standard al fizicii particulelor, care este susţinut puternic de rezultatele experimentale de până acum, sugerează că materia din univers este formată dintr-un număr mic de particule fundamentale:

- Quarcuri
- Particule similare electronului denumite leptoni

Quarcurile sunt menţinute împreună prin intermediul forţei nucleare tari, ceea ce conduce la formarea, de exemplu, a protonilor şi a neutronilor. Leptonii nu participă la interacţiunea nucleară tare, ei interacţionând doar prin intermediul forţei electromagnetice şi a forţei nucleare slabe.

Quarcurile există doar în stări legate, cel puţin în condiţii normale. Leptonii, pe de altă parte, pot fi observaţi şi individual.

Tipuri de leptoni

Există dovezi experimentale pentru şase tipuri diferite de leptoni, dintre care trei tipuri prezintă o sarcină electrică negativă şi trei tipuri sunt neutri din punct de vedere electric. Cei mai cunoscuţi leptoni încărcaţi electric sunt:

- Electronul (e)
- Miuonul (μ)
- Tauonul (τ)

Cei trei leptoni neutri din punct de vedere electric sunt  neutrinii (ν). Asociaţi fiecărui tip de lepton încărcat electriv, există trei tipuri distincte de neutrini:

- neutrinul electronic (νe)
- neutrinul miuonic (νμ)
- neutrinul tauonic (ντ)

Pentru fiecare dintre aceşti leptoni există, de asemenea, o antiparticulă asociată care are aceeaşi masă, dar o sarcină electrică opusă.

Electronul este familiar pentru toată lumea. El este direct răspunzător de proprietăţile chimice pentru aproape toţi atomii. Electronul reprezintă cea mai mică particulă încărcată electric pe care o cunoaştem şi este foarte stabil. Antiparticula corespunzătoare electronului este numită pozitron şi aceasta are o masă identică cu cea a electronului, dar o sarcină electrică pozitivă. Pozitronul a fost prima particulă de antimaterie care a fost descoperită.



Miuoni şi tauoni

Miuonii şi tauonii sunt versiunile mai grele şi foarte instabile ale electronului.

Miuonii au o masă de 207 ori mai mare decât cea a electronilor şi o durată de viaţă de 2,2 microsecunde. Ei se pot forma în razele cosmice, la diferite înălţimi deasupra Pământului.

Miuonii reprezintă mai mult de jumătate din radiaţia cosmică de la nivelul mării, restul fiind compusă în principal din electroni, pozitroni şi fotoni. Fluxul mediu de miuoni de la nivelul mării (sau concentraţia acestora) este de un miuon pe un centimetru pătrat timp de un minut.

Fizicienii americani Carl Anderson şi Seth Neddermeyer, care studiau razele cosmice, au descoperit miuonul în anul 1936. Descoperirea acestei particule a fost atât de surprinzătoare încât Isidor Isaac Rabi, laureat al Premiului Nobel, a exclamat: „Cine a comandat asta?"

Tauonul a fost descoperit în experimentele de ciocnire a particulelor de mare energie care au fost efectuate între anii 1974 şi 1977 de către Martin Perl împreună cu colegii săi de la Stanford Linear Accelerator Center din California.

Acesta este cel mai masiv dintre leptoni, el având o masă de 3.490 ori mai mare decât masa electronului şi de 17 ori mai mare decât cea a miuonului. Tauonul are o durată de viaţă foarte scurtă, de 100.000 de ori mai mică decât cea a miuonului.

fascicul de electroni
Un fascicul de electroni. Credit: Flickr/agaudin André Gaudin.


Neutrinii

Neutrinii sunt produşi printr-o mare varietate de interacţiuni. Soarele produce milioane de neutrini în cadrul reacţiilor de fuziune ce au loc în interiorul său şi care îi asigură acestuia energia pe care o are.

Întrucât neutrinii nu interacţionează electric sau prin intermediul forţei nucleare tari aceştia practic nu interacţionează cu alte particule. Majoritatea neutrinilor trec prin Pământ fără a interacţiona vreodată cu vreun atom din acesta.

Deoarece neutrinii au fost produşi într-o mare abundenţă în Universul timpuriu şi pentru că ei interacţionează rareori cu materia, numărul lor este imens în Univers.

Descoperirea că neutrinii au o masă foarte mică, de cel puţin un milion de ori mai mică decât cea a electronului, a evidenţiat posibilitatea ca masa neutrinilor să se datoreze unor procese necunoscute care nu pot fi legate de recenta descoperire a bosonului Higgs.

O familie complexă


Toate particulele fundamentale de materie sunt organizate, dintr-un motiv misterios, în trei familii distincte.

Prima familie, care include electronul, neutrinul electronic şi quarcurile „up" şi „down", constituie materia obişnuită sub formă de protoni, neutroni şi electroni. Particulele ce compun a doua şi a treia familie nu fac parte din materia obişnuită. Ele au existat în prima fracţiune de secundă a Universului, dar s-au dezintegrat foarte repede pentru a deveni particule din prima familie.

Compact
Detectorul „Compact” Muon Solenoid din cadrul Large Hadron Collider al CERN. Credit: CERN


Teoriile fizicii particulelor presupun că nu există mai mult de trei familii de leptoni. Acest lucru se datorează dovezilor experimentale care indică faptul că există doar trei tipuri de neutrini şi, prin urmare, trei familii de leptoni.

O dovadă în acest sens provine din raportul abundenţei hidrogenului şi heliului din Univers. Atunci când se modelează procesul de formare a nucleelor atomice ​​(nucleosinteza) datorat Big Bangului, numărul de tipuri de neutrini condiţionează abundenţa heliului. Abundenţa observată a acestuia este în acord cu existenţa a trei tipuri de neutrini.

În ciuda succesului său, modelul standard al fizicii particulelor nu răspunde la întrebări precum ar fi: de ce avem atât de multe tipuri de leptoni şi de ce masa acestora diferă atât de mult.

Numai studiile experimentale detaliate ale proprietăţilor leptonilor ne vor oferi perspective mai clare asupra acestui mister.



Traducere de Cristian-George Podariu după 2014-01-leptons.
Articolul phys.org a fost publicat prin amabilitatea The Conversation (sub licenţă Creative Commons-Attribution/No derivatives).