เลปตัน

เลปตอนมีส่วนเกี่ยวข้องในกระบวนการหลายอย่าง เช่น การ สลายตัวแบบเบตา
องค์ประกอบ	อนุภาคพื้นฐาน
สถิติ	เฟอร์มิออนิก
รุ่น	อันดับ 1, 2, 3
ปฏิสัมพันธ์	แม่เหล็กไฟฟ้า , แรงโน้มถ่วง , แรงอ่อน
เครื่องหมาย	ℓ
อนุภาคปฏิปักษ์	แอนติเลปตอน ( ℓ )
ประเภท	6 ( อิเล็กตรอน , อิเล็กตรอนนิวตริโน , มิวออน , มิวออนนิวตริโน , เทา , เทานิวตริโน )
ประจุไฟฟ้า	+1  e , 0  e , −1  e
ประจุสี	เลขที่
สปิน	⁠1/2⁠  ħ
เลขแบริออน	0

ในฟิสิกส์อนุภาคเลปตอนเป็นอนุภาคพื้นฐานที่มีสปินครึ่งจำนวนเต็ม ( สปิน⁠)1/2)ที่ไม่เกิดปฏิกิริยารุนแรง [ ^{1 ] เลป}ตอนมีสองประเภทหลัก ได้แก่ เลปตอน ที่มีประจุ (หรือที่รู้จักกันในชื่อ เลปตอนที่คล้าย อิเล็กตรอนหรือมิวออน) ซึ่งรวมถึงอิเล็กตรอนมิวออนและเทาออนและเลปตอนที่เป็นกลาง หรือที่รู้จักกันดีในชื่อนิวตริโนเลปตอนที่มีประจุสามารถรวมตัวกับอนุภาคอื่น ๆ เพื่อสร้างอนุภาคผสม ต่าง ๆ เช่นอะตอมและโพซิตรอนเนียม ในขณะที่นิวตริโนแทบจะไม่ทำปฏิกิริยากับสิ่งใดเลย และด้วยเหตุนี้จึง แทบ จะไม่ถูกสังเกตเห็น เลปตอนที่รู้จักกันดีที่สุดคืออิเล็กตรอน

มีเลปตอนหกประเภทที่เรียกว่าเฟลเวอร์ซึ่งจัดกลุ่มเป็นสามรุ่น^{[ 2 ]} เลปตอน รุ่นแรก หรือที่เรียกว่าเลปตอนอิเล็กตรอนประกอบด้วยอิเล็กตรอน ( e⁻) และอิเล็กตรอนนิวตริโน ( ν_อีส่วนที่สองคือเลปตอนมิวออนิกซึ่งประกอบด้วยมิวออน ( μ)⁻) และนิวตริโนมิวออน ( ν )_μ); และกลุ่มที่สามคือเลปตอนเทาออนิกซึ่งประกอบด้วยเทา ( τ )⁻) และนิวตริโนเทา ( ν )_τอิเล็กตรอนมีมวลน้อยที่สุดในบรรดาอนุภาคเลปตอนที่มีประจุทั้งหมด อนุภาคมิวออนและเทาที่มีมวลมากกว่าจะเปลี่ยนไปเป็นอิเล็กตรอนและนิวตริโนอย่างรวดเร็วผ่านกระบวนการสลายตัวของอนุภาคซึ่งก็คือการเปลี่ยนจากสถานะที่มีมวลสูงกว่าไปสู่สถานะที่มีมวลต่ำกว่า ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงมีเสถียรภาพและเป็นอนุภาคเลปตอนที่มีประจุที่พบได้มากที่สุดในจักรวาลในขณะที่มิวออนและเทาสามารถเกิดขึ้นได้เฉพาะใน การชนกันที่มี พลังงานสูง (เช่น การชนกันที่เกี่ยวข้องกับรังสีคอสมิกและการชนกันที่เกิดขึ้นในเครื่องเร่งอนุภาค )

อนุภาคเลปตอนมีคุณสมบัติเฉพาะตัว หลายประการ รวมถึงประจุไฟฟ้าสปินและมวล อย่างไรก็ตาม ต่างจากควาร์ก เลปตอนไม่ได้รับผลกระทบจากอันตรกิริยาแบบแรงแต่จะได้รับผลกระทบจากอันตรกิริยาพื้นฐาน อีกสามอย่าง ได้แก่แรงโน้มถ่วง อันตร กิริยา แบบอ่อนและแรงแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งแรงแม่เหล็กไฟฟ้านั้นแปรผันตรงกับประจุ และมีค่าเป็นศูนย์สำหรับนิวตริโนที่เป็นกลางทางไฟฟ้า

สำหรับเลปตอนแต่ละชนิด จะมีอนุภาคปฏิปักษ์ที่ สอดคล้องกัน ซึ่งเรียกว่า แอนติเลปตอน โดยจะแตกต่างจากเลปตอนเพียงแค่คุณสมบัติบางอย่างมีขนาดเท่ากันแต่มีเครื่องหมายตรงข้ามตามทฤษฎีบางอย่าง นิวตริโนอาจเป็นอนุภาคปฏิปักษ์ของตัวเองปัจจุบันยังไม่ทราบแน่ชัดว่าจะเป็นเช่นนั้นหรือไม่

เลปตอนที่มีประจุตัวแรกคืออิเล็กตรอน ซึ่งถูกตั้งทฤษฎีขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 โดยนักวิทยาศาสตร์หลายคน^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}และถูกค้นพบในปี 1897 โดยJJ Thomson [ ^{6 ] เลป}ตอนตัวถัดไปที่ถูกสังเกตคือมิวออนซึ่งถูกค้นพบโดยCarl D. Andersonในปี 1936 ซึ่งในขณะนั้น ถูกจัดประเภทเป็น เมซอน^{[ 7 ]}หลังจากการตรวจสอบ พบว่ามิวออนไม่มีคุณสมบัติที่คาดหวังของเมซอน แต่กลับมีพฤติกรรมคล้ายกับอิเล็กตรอน เพียงแต่มีมวลมากกว่า จนกระทั่งปี 1947 จึงมีการเสนอแนวคิดเรื่อง "เลปตอน" ในฐานะตระกูลของอนุภาค^{[ 8 ]}นิวตริโนตัวแรกคือนิวตริโนอิเล็กตรอน ซึ่งถูกเสนอโดยWolfgang Pauliในปี 1930 เพื่ออธิบายลักษณะบางอย่างของ การสลายตัว ของเบตา^{[ 8 ]}มีการสังเกตครั้งแรกในการทดลองนิวตริโน Cowan–Reinesที่ดำเนินการโดยClyde CowanและFrederick Reinesในปี 1956 ^{[ 8 ] [ 9 ]}นิวตริโนมิวออนถูกค้นพบในปี 1962 โดยLeon M. Lederman , Melvin SchwartzและJack Steinberger ^{[ 10 ]}และนิวตริโนเทาถูกค้นพบระหว่างปี 1974 ถึง 1977 โดยMartin Lewis Perlและเพื่อนร่วมงานของเขาจากStanford Linear Accelerator CenterและLawrence Berkeley National Laboratory [ ^{11 ] นิ}วตริโนเทายังคงเป็นสิ่งที่หาได้ยากจนกระทั่งเดือนกรกฎาคม 2000 เมื่อ กลุ่มความร่วมมือ DONUTจากFermilabประกาศการค้นพบ^{[ 12 ] [ 13 ]}

เลปตอนเป็นส่วนสำคัญของแบบจำลองมาตรฐานอิเล็กตรอนเป็นหนึ่งในองค์ประกอบของอะตอมร่วมกับโปรตอนและนิวตรอน นอกจาก นี้ ยังสามารถสังเคราะห์ อะตอมแปลกใหม่ที่มีมิวออนและเทาแทนอิเล็กตรอนได้ เช่นเดียวกับอนุภาคเลปตอน-แอนติเลปตอน เช่นโพซิตรอนเนียม

ชื่อเลปตอนมาจากภาษากรีกλεπτός leptósซึ่งหมายถึง "ละเอียด เล็ก บาง" ( รูปเอกพจน์กรรม ตรง /กรรมรองเพศกลาง: λεπτόν leptón ) ^{[ 14 ] [ 15 ]}รูปแบบที่เก่าแก่ที่สุดของคำนี้ได้รับการบันทึกไว้คือภาษากรีกไมซีเนียน𐀩𐀡𐀵 re -po-toซึ่งเขียนด้วยอักษรพยางค์ลิเนียร์บี^{[ 16 ]}เลปตอนถูกใช้ครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์Léon Rosenfeldในปี 1948: ^{[ 17 ]}

ตามคำแนะนำของศาสตราจารย์ซี. มอลเลอร์ผมจึงนำคำว่า "เลปตอน" (จาก λεπτός ซึ่งแปลว่า เล็ก บาง ละเอียดอ่อน) มาใช้ควบคู่กับคำว่า "นิวคลีออน" เพื่อใช้เรียกอนุภาคที่มีมวลน้อย

โรเซนเฟลด์เลือกชื่อนี้เป็นชื่อสามัญของอิเล็กตรอนและนิวตริโน (ซึ่งในขณะนั้นยังเป็นสมมติฐาน) นอกจากนี้ มิวออน ซึ่งเดิมจัดอยู่ในกลุ่มเมซอน ได้ถูกจัดประเภทใหม่เป็นเลปตอนในช่วงทศวรรษ 1950 มวลของอนุภาคเหล่านี้มีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับนิวคลีออน—มวลของอิเล็กตรอน (0.511  MeV/ c ² ) ^{[ 18 ]}และมวลของมิวออน (ด้วยค่าของ105.7 MeV/ c ² ) ^{[ 19 ]}เป็นเศษส่วนของมวลของโปรตอน "หนัก" (938.3 MeV/ c ² ) และมวลของนิวตริโนเกือบเป็นศูนย์^{[ 20 ]}อย่างไรก็ตาม มวลของเทา (ค้นพบในช่วงกลางทศวรรษ 1970) (1777 MeV/ c ² ) ^{[ 21 ]}เกือบสองเท่าของโปรตอนและ3477 ^{‍ [22 ]}เท่าของอิเล็กตรอน

เลปตอนตัวแรกที่ถูกระบุคืออิเล็กตรอน ซึ่งถูกค้นพบโดยJJ Thomsonและทีมงานนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษของเขาในปี 1897 ^{[ 23 ] [ 24 ]}ต่อมาในปี 1930 Wolfgang Pauliได้ตั้งสมมติฐานว่านิวตริโนอิเล็กตรอนช่วยรักษาการอนุรักษ์พลังงานการอนุรักษ์โมเมนตัมและการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมใน การสลายตัว แบบเบตา^{[ 25 ]} Pauli ตั้งทฤษฎีว่าอนุภาคที่ตรวจไม่พบกำลังนำพาความแตกต่างระหว่างพลังงานโมเมนตัมและโมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาคเริ่มต้นและอนุภาคสุดท้ายที่สังเกตได้ นิวตริโนอิเล็กตรอนถูกเรียกว่านิวตริโนเฉยๆ เนื่องจากยังไม่เป็นที่ทราบกันว่านิวตริโนมีหลายประเภท (หรือ "รุ่น" ที่แตกต่างกัน)

เกือบ 40 ปีหลังจากการค้นพบอิเล็กตรอนมิวออนถูกค้นพบโดยคาร์ล ดี. แอนเดอร์สันในปี 1936 เนื่องจากมวลของมัน ในตอนแรกมันถูกจัดประเภทเป็นเมซอนแทนที่จะเป็นเลปตอน^{[ 7 ]} ต่อมาเป็นที่ชัดเจนว่ามิวออนมีความคล้ายคลึงกับอิเล็กตรอนมากกว่าเมซอน เนื่องจากมิวออนไม่เกิดปฏิกิริยาแรงดังนั้นมิวออนจึงถูกจัดประเภทใหม่: อิเล็กตรอน มิวออน และนิวตริโน (อิเล็กตรอน) ถูกจัดกลุ่มเป็นกลุ่มอนุภาคใหม่—เลปตอน ในปี 1962 ลีออน เอ็ม. เลเดอร์แมนเมลวิน ชวาร์ตซ์และแจ็ค สไตน์เบอร์เกอร์แสดงให้เห็นว่ามีนิวตริโนมากกว่าหนึ่งชนิด โดยการตรวจจับปฏิกิริยาของนิวตริโนมิวออนเป็นครั้งแรก ซึ่งทำให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลในปี 1988แม้ว่าในขณะนั้นนิวตริโนชนิดต่างๆ จะได้รับการตั้งทฤษฎีไว้แล้วก็ตาม^{[ 26 ]}

อนุภาคเทาถูกตรวจพบครั้งแรกในชุดการทดลองระหว่างปี 1974 ถึง 1977 โดยมาร์ติน ลูอิส เพิร์ลและเพื่อนร่วมงานของเขาที่ กลุ่ม SLAC LBL ^{[ 11 ]} เช่นเดียวกับอิเล็กตรอนและมิวออน คาดว่าอนุภาคเทาจะ มีนิวตริโนที่เกี่ยวข้องด้วย หลักฐานแรกของนิวตริโนเทามาจากการสังเกตพลังงานและโมเมนตัมที่ "หายไป" ในการสลายตัวของเทา ซึ่งคล้ายคลึงกับพลังงานและโมเมนตัมที่ "หายไป" ในการสลายตัวของเบตาที่นำไปสู่การค้นพบนิวตริโนอิเล็กตรอน การตรวจพบปฏิสัมพันธ์ของนิวตริโนเทาครั้งแรกได้รับการประกาศในปี 2000 โดย ความร่วมมือ DONUTที่เฟอร์มิแล็บทำให้เป็นอนุภาคที่สองในแบบจำลองมาตรฐานที่ถูกสังเกตโดยตรง^{[ 13 ]}โดยฮิกส์โบซอนถูกค้นพบในปี 2012

แม้ว่าข้อมูลปัจจุบันทั้งหมดจะสอดคล้องกับเลปตอนสามรุ่น แต่ก็มีนักฟิสิกส์อนุภาคบางกลุ่มกำลังค้นหาเลปตอนที่สี่ ขีดจำกัดล่างปัจจุบันของมวลของเลปตอนประจุรุ่นที่สี่ดังกล่าวคือ100.8  GeV/ c ² , ^{[ 27 ]}ในขณะที่นิวตริโนที่เกี่ยวข้องจะมีมวลอย่างน้อย45.0  GeV/ c ² . ^{[ 28 ]}

เลปตอนมีการหมุน 1/2อนุภาคเลปตอน ทฤษฎีบทสปิน-สถิติจึงบ่งชี้ว่าพวกมันเป็นเฟอร์มิออนและด้วยเหตุนี้จึงอยู่ภายใต้หลักการกีดกันของเปาลีกล่าวคือ เลปตอนสองตัวที่มีชนิดเดียวกันไม่สามารถอยู่ในสถานะเดียวกันในเวลาเดียวกันได้ นอกจากนี้ยังหมายความว่าเลปตอนสามารถมีสถานะสปินได้เพียงสองสถานะเท่านั้น คือ ขึ้นหรือลง

คุณสมบัติที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดคือไครัลลิตี้ซึ่งในทางกลับกันก็เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับคุณสมบัติที่มองเห็นได้ง่ายกว่าที่เรียกว่าเฮลิซิตี้เฮลิซิตี้ของอนุภาคคือทิศทางของการหมุนของมันเมื่อเทียบกับโมเมนตัมอนุภาคที่มีการหมุนไปในทิศทางเดียวกับโมเมนตัมเรียกว่ามือขวาและอนุภาคที่มีการหมุนไปในทิศทางตรงกันข้ามเรียกว่ามือซ้ายเมื่ออนุภาคไม่มีมวล ทิศทางของโมเมนตัมเมื่อเทียบกับการหมุนของมันจะเหมือนกันในทุกกรอบอ้างอิง ในขณะที่สำหรับอนุภาคที่มีมวลนั้น เป็นไปได้ที่จะ 'แซงหน้า' อนุภาคได้โดยการเลือกกรอบอ้างอิง ที่เคลื่อนที่เร็วกว่า ในกรอบอ้างอิงที่เร็วกว่านั้น เฮลิซิตี้จะกลับทิศทาง ไครัลลิตี้เป็นคุณสมบัติทางเทคนิคที่กำหนดผ่านพฤติกรรมการแปลงภายใต้กลุ่มปวงกาเรซึ่งไม่เปลี่ยนแปลงตามกรอบอ้างอิง มันถูกสร้างขึ้นเพื่อให้สอดคล้องกับเฮลิซิตี้สำหรับอนุภาคที่ไม่มีมวล และยังคงกำหนดไว้อย่างดีสำหรับอนุภาคที่มีมวล

ใน ทฤษฎีสนามควอนตัมหลาย ทฤษฎี เช่นควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์และควอนตัมโครโมไดนามิกส์ เฟอร์มิออนมือซ้ายและมือขวาจะเหมือนกัน อย่างไรก็ตามปฏิสัมพันธ์แบบอ่อน ของแบบจำลองมาตรฐาน ปฏิบัติต่อเฟอร์มิออนมือซ้ายและมือขวาแตกต่างกัน กล่าวคือ มีเพียงเฟอร์มิออนมือซ้าย (และแอนติเฟอร์มิออนมือขวา) เท่านั้นที่มีส่วนร่วมในปฏิสัมพันธ์แบบอ่อน นี่เป็นตัวอย่างของการละเมิดสมมาตรพาริตีที่เขียนไว้ในแบบจำลองอย่างชัดเจน ในเอกสารทางวิชาการ สนามมือซ้ายมักจะใช้ ตัวอักษร L ตัวใหญ่ กำกับ (เช่น อิเล็กตรอนปกติ e)⁻ _แอลและสนามมือขวาจะแสดงด้วย ตัวอักษร R ตัวใหญ่ กำกับ (เช่น โพซิตรอน e)⁺ _อาร์)

นิวตริโนมือขวาและแอนตินิวตริโนมือซ้ายไม่มีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคอื่น (ดูนิวตริโนปลอดปฏิกิริยา ) ดังนั้นจึงไม่ใช่ส่วนประกอบที่ใช้งานได้ของแบบจำลองมาตรฐาน แม้ว่าการไม่รวมพวกมันจะไม่ใช่ข้อกำหนดที่เข้มงวดก็ตาม บางครั้งพวกมันถูกระบุไว้ในตารางอนุภาคเพื่อเน้นว่าพวกมันจะไม่มีบทบาทใดๆ หากรวมอยู่ในแบบจำลอง แม้ว่าอนุภาคมือขวาที่มีประจุไฟฟ้า (อิเล็กตรอน มิวออน หรือเทา) จะไม่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาอ่อนโดยเฉพาะ แต่พวกมันก็ยังสามารถมีปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าได้ และด้วยเหตุนี้จึงยังคงมีส่วนร่วมในแรงอ่อนไฟฟ้ารวมแม้ว่าจะมีความแรงที่แตกต่างกันก็ตาม ( Y _W )

หนึ่งในคุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุดของเลปตอนคือประจุไฟฟ้าQ ประจุไฟฟ้าเป็นตัวกำหนดความแรงของปฏิกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้ามันกำหนดความแรงของสนามไฟฟ้าที่เกิดจากอนุภาค (ดูกฎของคูลอมบ์ ) และความแรงที่อนุภาคตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กภายนอก (ดูแรงลอเรนซ์ ) แต่ละรุ่นประกอบด้วยเลปตอนหนึ่งตัวที่มีQ = −1 eและเลปตอนหนึ่งตัวที่มีประจุไฟฟ้าเป็นศูนย์ เลปตอนที่มีประจุไฟฟ้ามักเรียกว่าเลปตอนมีประจุในขณะที่เลปตอนที่เป็นกลางเรียกว่านิวตริโนตัวอย่างเช่น รุ่นแรกประกอบด้วยอิเล็กตรอนe⁻โดยมีประจุไฟฟ้าลบและนิวตริโนอิเล็กตรอนที่เป็นกลางทางไฟฟ้าν_อี.

ในภาษาของทฤษฎีสนามควอนตัม ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเลปตอนที่มีประจุจะถูกแสดงโดยข้อเท็จจริงที่ว่าอนุภาคเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กับควอนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งก็คือโฟ ตอน แผนภาพ ของไฟ น์แมนแสดงปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนและโฟตอนอยู่ทางด้านขวา

เนื่องจากเลปตอนมีการหมุนภายในในรูปแบบของสปิน เลปตอนที่มีประจุจึงสร้างสนามแม่เหล็ก ขนาดของโมเมนต์ไดโพลแม่เหล็กμ ของพวกมัน กำหนดโดย

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

โดยที่mคือมวลของเลปตอน และgคือสิ่งที่เรียกว่า"  ปัจจัยg " สำหรับเลปตอน การประมาณเชิงกลควอนตัมอันดับแรกทำนายว่าขนาดของ ปัจจัย g  คือ 2 สำหรับเลปตอนทั้งหมด อย่างไรก็ตาม ผลกระทบควอนตัมลำดับสูงกว่าที่เกิดจากลูปในไดอะแกรมของไฟน์แมนทำให้เกิดการแก้ไขค่านี้ การแก้ไขเหล่านี้เรียกว่าโมเมนต์ไดโพลแม่เหล็กผิดปกติซึ่งมีความไวต่อรายละเอียดของแบบจำลองทฤษฎีสนามควอนตัมมาก ดังนั้นจึงเปิดโอกาสให้มีการทดสอบความแม่นยำของแบบจำลองมาตรฐาน ค่าทางทฤษฎีและค่าที่วัดได้สำหรับโมเมนต์ ไดโพลแม่เหล็กผิดปกติของ อิเล็กตรอนมีความสอดคล้องกันภายในแปดหลักสำคัญ^{[ 29 ]}อย่างไรก็ตามผลลัพธ์สำหรับมิวออนนั้นมีปัญหาบ่งชี้ถึงความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยที่คงอยู่ระหว่างแบบจำลองมาตรฐานและการทดลอง

ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอของเลปตอนรุ่นแรก

ในแบบจำลองมาตรฐาน เลปตอนประจุซ้ายและนิวตริโนมือซ้ายจะเรียงตัวเป็นคู่ซึ่งแปลงเป็นการ แสดง สปินเนอร์ ( T = ⁠ 1 /2)ของ สมมาตรเกจไอ โซสปินอ่อนSU(2)ซึ่งหมายความว่าอนุภาคเหล่านี้เป็นสถานะไอเกนของโปรเจกชันไอโซสปิน T ₃ที่มีค่าไอเกน ⁠++ 1 /2และ−​+ 1 /2ตาม ลำดับในขณะเดียวกัน เลปตอนประจุขวาจะแปลงสภาพเป็นสเกลาร์ไอโซสปินอ่อน ( T = 0 ) ดังนั้นจึงไม่มีส่วนร่วมในอันตรกิริยาอ่อนในขณะที่ไม่มีหลักฐานใด ๆ ว่ามีนิวตริโนมือขวาอยู่จริงเลย

กลไกฮิกส์จะรวมสนามเกจของสมมาตรไอโซสปินอ่อน SU(2) และ สมมาตร ไฮเปอร์ชาร์จอ่อน U(1) เข้าด้วยกันเป็นเวกเตอร์โบซอนมวลสามตัว ( W )⁺, ว⁻, Z⁰) ทำหน้าที่เป็นตัวกลางของปฏิสัมพันธ์แบบอ่อนและโบซอนเวกเตอร์ไร้มวลหนึ่งตัว คือ โฟตอน (γ) ซึ่งรับผิดชอบต่อปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า ประจุไฟฟ้าQสามารถคำนวณได้จากภาพฉายไอโซสปินT ₃และไฮเปอร์ชาร์จแบบอ่อนY _Wผ่านสูตร Gell-Mann– Nishijima

Q = T ₃ + ⁠ 1 /2วายดับเบิล_ยู .

เพื่อกู้คืนประจุไฟฟ้าที่สังเกตได้สำหรับอนุภาคทั้งหมด ให้ใช้ไอโซสปินคู่แบบมือซ้ายที่อ่อนแอ(ν _eL , e)⁻ _แอล)จึงต้องทำให้Y _W = −1ในขณะที่สเกลาร์ไอโซสปินมือขวาe⁻ _อาร์ต้องมีY _W = −2ปฏิสัมพันธ์ของเลปตอนกับเวกเตอร์โบซอนที่มีมวลและมีปฏิสัมพันธ์แบบอ่อน แสดงอยู่ในรูปทางด้านขวา

ในแบบจำลองมาตรฐานเลปตอนแต่ละตัวเริ่มต้นโดยไม่มีมวลที่แท้จริง เลปตอนที่มีประจุ (เช่น อิเล็กตรอน มิวออน และเทา) ได้รับมวลที่มีประสิทธิภาพผ่านปฏิสัมพันธ์กับสนามฮิกส์แต่นิวตริโนยังคงไม่มีมวล ด้วยเหตุผลทางเทคนิค การที่นิวตริโนไม่มีมวลหมายความว่าไม่มีการผสมกันของเลปตอนที่มีประจุรุ่นต่างๆ เหมือนกับที่เกิดขึ้นกับควาร์กมวลศูนย์ของนิวตริโนสอดคล้องกับการสังเกตการณ์โดยตรงทางทดลองในปัจจุบันเกี่ยวกับมวล^{[ 30 ]}

อย่างไรก็ตาม เป็นที่ทราบจากการทดลองทางอ้อม—โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากการสังเกตการแกว่งของนิวตริโน^{[ 31 ]} —ว่านิวตริโนจะต้องมีมวลที่ไม่เป็นศูนย์ ซึ่งอาจน้อยกว่า2  eV/ c ² . ^{[ 32 ]}สิ่งนี้บ่งชี้ถึงการมีอยู่ของฟิสิกส์ที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐานส่วนขยายที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในปัจจุบันคือกลไกที่เรียกว่าseesaw mechanismซึ่งจะอธิบายทั้งสาเหตุที่นิวตริโนมือซ้ายมีน้ำหนักเบามากเมื่อเทียบกับเลปตอนที่มีประจุที่สอดคล้องกัน และสาเหตุที่เรายังไม่เห็นนิวตริโนมือขวา

สมาชิกของคู่ไอโซสปินอ่อน ของแต่ละรุ่น จะได้รับหมายเลขเลปตอนิกที่อนุรักษ์ไว้ภายใต้แบบจำลองมาตรฐาน^{[ 33 ]}อิเล็กตรอนและนิวตริโนอิเล็กตรอนมีหมายเลขอิเล็กตรอนL _e = 1ในขณะที่มิวออนและนิวตริโนมิวออนมีหมายเลขมิวออนL _μ = 1ในขณะที่อนุภาคเทาและนิวตริโนเทามีหมายเลขเทาออน L τ ₌ 1แอนติเลปตอนมีหมายเลขเลปตอนิกของรุ่นนั้นๆ เท่ากับ −1

การอนุรักษ์จำนวนเลปตอนหมายความว่า จำนวนเลปตอนชนิดเดียวกันจะคงที่เมื่ออนุภาคมีปฏิสัมพันธ์กัน ซึ่งหมายความว่าเลปตอนและแอนติเลปตอนจะต้องถูกสร้างขึ้นเป็นคู่ในรุ่นเดียวกัน ตัวอย่างเช่น กระบวนการต่อไปนี้เกิดขึ้นได้ภายใต้การอนุรักษ์จำนวนเลปตอน:

γ    →   e⁻+ e⁺,

ซ⁰  →   τ⁻+ τ⁺,

แต่ไม่ใช่สิ่งเหล่านี้:

γ      →   e⁻+ μ⁺,

ว⁻  →   e⁻+ ν_τ,

ซ⁰    →   μ⁻+ τ⁺.

อย่างไรก็ตาม เป็น ที่ทราบกันดีว่า การแกว่งตัวของนิวตริโนนั้นขัดกับการอนุรักษ์จำนวนเลปตอนแต่ละตัว การละเมิดดังกล่าวถือเป็นหลักฐานชิ้นสำคัญที่บ่งชี้ถึงฟิสิกส์ที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐานกฎการอนุรักษ์ที่แข็งแกร่งกว่ามากคือการอนุรักษ์จำนวนเลปตอนทั้งหมด ( L ที่ไม่มีตัวห้อย ) ซึ่งยังคงได้รับการอนุรักษ์แม้ในกรณีของการแกว่งตัวของนิวตริโน แต่ถึงกระนั้นก็ยังถูกละเมิดไปเล็กน้อยโดยความผิดปกติแบบไครัล

การจับคู่ของเลปตอนกับเกจโบซอน ทุกประเภท เป็นอิสระจากรสชาติ: ปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลปตอนและเกจโบซอนจะวัดค่าเดียวกันสำหรับเลปตอนแต่ละตัว^{[ 33 ]}คุณสมบัตินี้เรียกว่าความเป็นสากลของเลปตอนและได้รับการทดสอบในการวัดอายุการใช้งาน ของ มิวออนและเทา และความกว้างของการสลายตัวบางส่วนของโบซอนZโดยเฉพาะอย่างยิ่งใน การทดลอง Stanford Linear Collider (SLC) และLarge Electron–Positron Collider (LEP) ^{[ 34 ] : 241–243 [ 35 ] : 138}

อัตราการสลายตัว ( ) ของมิวออนผ่านกระบวนการμ${\displaystyle \Gamma }$⁻→ e⁻+ ν_อี+ ν_μโดยประมาณจะกำหนดโดยนิพจน์ในรูปแบบ (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสลายตัวของมิวออน ) ^{[ 33 ]}

${\displaystyle \Gamma \left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)\approx K_{2}\,G_{\text{F}}^{2}\,m_{\mu }^{5}~,}$

โดยที่K ₂เป็นค่าคงที่บางค่า และG _Fคือค่าคงที่การเชื่อมต่อของเฟอร์มิอัตราการสลายตัวของอนุภาคเทาผ่านกระบวนการτ⁻→ e⁻+ ν_อี+ ν_τกำหนดให้เป็นนิพจน์ในรูปแบบเดียวกัน^{[ 33 ]}

${\displaystyle \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)\approx K_{3}\,G_{\text{F}}^{2}\,m_{\tau }^{5}~,}$

โดยที่K ₃เป็นค่าคงที่อื่น ความเป็นสากลของมิวออน-เทาออนบ่งชี้ว่าK ₂ ≈ K ₃ในทางกลับกัน ความเป็นสากลของอิเล็กตรอน-มิวออนบ่งชี้ว่า^{[ 33 ]}

${\displaystyle 0.9726\times \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)=\Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow \mu ^{-}+{\bar {\nu _{\mu }}}+\nu _{\tau }\ขวา)~.}$

อัตราส่วนการแตกแขนงสำหรับโหมดอิเล็กตรอน (17.82%) และโหมดมิวออนิก (17.39%) ของการสลายตัวของเทาไม่เท่ากันเนื่องจากความแตกต่างของมวลของเลปตอนในสถานะสุดท้าย^{[ 21 ]}

ความเป็นสากลยังคำนึงถึงอัตราส่วนของอายุขัยของมิวออนและเทาด้วย อายุขัยของเลปตอน(โดยที่= " μ " หรือ " τ ") เกี่ยวข้องกับอัตราการสลายตัวโดย^{[ 33 ]}${\displaystyle \mathrm {T} _{\ell }}$${\displaystyle \ell }$${\displaystyle \ell }$

${\displaystyle \mathrm {T} _{\ell }={\frac {\;{\mathcal {B}}\left(\ell ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\ell }\right)\;}{\Gamma \left(\ell ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\ell }\right)}}\,}$,

โดยที่แทนอัตราส่วนการแตกแขนง และแทนความกว้างของเรโซแนนซ์ของกระบวนการโดยที่xและyถูกแทนที่ด้วยอนุภาคที่แตกต่างกันสองอนุภาคจาก " e " หรือ " μ " หรือ " τ " ${\displaystyle \;{\mathcal {B}}(x\rightarrow y)\;}$${\displaystyle \;\Gamma (x\rightarrow y)\;}$${\displaystyle \;x\rightarrow y~,}$

ดังนั้นอัตราส่วนของอายุการใช้งานของเทาและมิวออนจึงกำหนดโดย^{[ 33 ]}

${\displaystyle {\frac {\,\mathrm {T} _{\tau }\,}{\mathrm {T} _{\mu }}}={\frac {\;{\mathcal {B}}\left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)\;}{{\mathcal {B}}\left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)}}\,\left({\frac {m_{\mu }}{m_{\tau }}}\right)^{5}~.}$

การใช้ค่าจากReview of Particle Physics ปี 2008 สำหรับอัตราส่วนการแตกแขนงของมิวออน^{[ 19 ]}และเทา^{[ 21 ]}ทำให้ได้อัตราส่วนอายุการใช้งานประมาณ ~ 1.29 × 10 ⁻⁷ซึ่งเทียบได้กับอัตราส่วนอายุการใช้งานที่วัดได้ประมาณ ~ 1.32 × 10 ⁻⁷ความแตกต่างเกิดจากK ₂และK ₃ไม่ใช่ ค่าคงที่ จริง ๆแต่ขึ้นอยู่กับมวลของเลปตอนที่เกี่ยวข้องเล็กน้อย

การทดสอบล่าสุดเกี่ยวกับความเป็นสากลของเลปตอนใน การสลายตัวของ เมซอนBซึ่งดำเนินการโดย การทดลอง LHCb , BaBarและBelleได้แสดงให้เห็นถึงความเบี่ยงเบนที่สอดคล้องกันจากการคาดการณ์ของแบบจำลองมาตรฐาน อย่างไรก็ตาม ความสำคัญทางสถิติและเชิงระบบที่รวมกันยังไม่สูงพอที่จะอ้างว่ามีการสังเกตฟิสิกส์ใหม่^{[ 36 ]}

ในเดือนกรกฎาคม 2021 ผลลัพธ์เกี่ยวกับความเป็นสากลของรสชาติเลปตอนได้รับการเผยแพร่โดยการทดสอบการสลายตัวของ W การวัดก่อนหน้านี้โดย LEP ให้ความคลาดเคลื่อนเล็กน้อย แต่การวัดใหม่โดย ความร่วมมือ ของ ATLASมีความแม่นยำเป็นสองเท่าและให้ค่าอัตราส่วนซึ่งสอดคล้องกับการคาดการณ์ของแบบจำลองมาตรฐานที่หนึ่ง^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]}ในปี 2024 เอกสารก่อนตีพิมพ์โดยความร่วมมือของ ATLAS ได้เผยแพร่ค่าใหม่ของอัตราส่วนที่แม่นยำที่สุดเท่าที่เคยมีมาในการทดสอบความเป็นสากลของรสชาติเลปตอน^{[ 40 ] [ 41 ]}${\displaystyle R_{W}^{\tau /\mu }={\mathcal {B}}(W\rightarrow \tau \nu _{\tau })/{\mathcal {B}}(W\rightarrow \mu \nu _{\mu })=0.992\pm 0.013}$${\displaystyle R_{W}^{\mu /e}={\mathcal {B}}(W\rightarrow \mu \nu _{\mu })/{\mathcal {B}}(W\rightarrow e\nu _{e})=0.9995\pm 0.0045}$

คุณสมบัติของเลปตอน

สปินJ [ ħ ]	ชื่อ อนุภาคหรือ ปฏิอนุภาค	เครื่องหมาย	ประจุQ [ e ]	หมายเลขรสชาติเลปตอน			มวล[ MeV / c 2 ]	อายุการใช้งาน[ วินาที ]
				ลี​	แอลμ	แอลτ
⁠1/2⁠	อิเล็กตรอน[ 18 ]	อี−	−1	+1	0	0	0.510 998 910 (13)	มั่นคง
	โพซิตรอน[ 18 ]	อี+	+1	−1
	มิวออน[ 19 ]	μ−	−1	0	+1	0	105.658 3668 (38)	2.197 019 (21) × 10 −6
	แอนติมิวออน[ 19 ]	μ+	+1		−1
	เทา[ 21 ]	τ−	−1	0	0	+1	1 776 .84(17)	2.906(10) × 10 −13
	แอนติเทา[ 21 ]	τ+	+1			−1
	อิเล็กตรอนนิวตริโน[ 32 ]	νอี	0	+1	0	0	< 0.000 0022 [ 42 ]	ไม่ทราบ
	อิเล็กตรอนแอนตินิวตริโน	νอี		−1
	นิวตริโนมิวออน[ 32 ]	νμ		0	+1	0	< 0.17 [ 42 ]	ไม่ทราบ
	มิวออนแอนตินิวตริโน[ 32 ]	νμ			−1
	เทานิวตริโน[ 32 ]	ντ		0	0	+1	< 15.5 [ 42 ]	ไม่ทราบ
	เทาแอนตินิวทริโน[ 32 ]	ντ				−1

• สูตรโคอิเดะ
• รายการอนุภาค
• พรีออน – อนุภาคสมมุติฐานที่เคยถูกสันนิษฐานว่าเป็นส่วนประกอบย่อยของควาร์กและเลปตอน

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับเลปตอน

ค้นหาคำว่าleptonใน Wiktionary ซึ่งเป็นพจนานุกรมออนไลน์ฟรี

• หน้า แรกของ "กลุ่มข้อมูลอนุภาค"– PDG รวบรวมข้อมูลที่เชื่อถือได้เกี่ยวกับคุณสมบัติของอนุภาค
• "เลปตอน"ฟิสิกส์และดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยรัฐจอร์เจียไฮเปอร์ฟิสิกส์– บทสรุปเกี่ยวกับอนุภาคเลปตอน