¿QUé SON LOS LEPTONES?

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Durante los siglos XIX y XX, los físicos comenzaron a investigar profundamente la naturaleza de la materia y la energía. Al hacerlo, rápidamente se dieron cuenta de que las reglas que las gobiernan se vuelven cada vez más borrosas a medida que se profundiza. Mientras que la teoría predominante solía ser que toda la materia estaba compuesta de átomos indivisibles, los científicos comenzaron a darse cuenta de que los átomos están compuestos de partículas aún más pequeñas.

De estas investigaciones, nació el Modelo Estándar de Física de Partículas. Según este modelo, toda la materia en el Universo se compone de dos tipos de partículas: hadrones, de los cuales el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) recibe su nombre, y leptones. Cuando los hadrones están compuestos de otras partículas elementales (quarks, anti-quarks, etc.), los leptones son partículas elementales que existen por sí mismas.

Definición:

La palabra lepton proviene del griego leptos, que significa "pequeño", "fino" o "delgado". El primer uso registrado de la palabra fue por el físico Leon Rosenfeld en su libro.Fuerzas nucleares (1948) En el libro, atribuyó el uso de la palabra a una sugerencia hecha por el químico y físico danés Prof. Christian Moller.

El término fue elegido para referirse a partículas de pequeña masa, ya que los únicos leptones conocidos en la época de Rosenfeld eran muones. Estas partículas elementales son más de 200 veces más masivas que los electrones, pero solo tienen aproximadamente una novena parte de la masa de un protón. Junto con los quarks, los leptones son los componentes básicos de la materia y, por lo tanto, son vistos como "partículas elementales".

Tipos de leptones:

Según el modelo estándar, hay seis tipos diferentes de leptones. Estos incluyen las partículas de Electrón, Muón y Tau, así como sus neutrinos asociados (es decir, neutrino de electrones, neutrino de muón y neutrino de tau). Los leptones tienen carga negativa y una masa distinta, mientras que sus neutrinos tienen una carga neutra.

Los electrones son los más ligeros, con una masa de 0.000511 gigaelectronvoltios (GeV), mientras que los muones tienen una masa de 0.1066 Gev y las partículas de Tau (las más pesadas) tienen una masa de 1.777 Gev. Las diferentes variedades de las partículas elementales se denominan comúnmente "sabores". Si bien cada uno de los tres sabores de leptones son diferentes y distintos (en términos de sus interacciones con otras partículas), no son inmutables.

Un neutrino puede cambiar su sabor, un proceso que se conoce como "oscilación del sabor del neutrino". Esto puede tomar varias formas, que incluyen neutrino solar, neutrino atmosférico, reactor nuclear u oscilaciones de haz. En todos los casos observados, las oscilaciones fueron confirmadas por lo que parecía ser un déficit en el número de neutrinos que se estaban creando.

Una causa observada tiene que ver con la "descomposición de los muones" (ver más abajo), un proceso donde los muones cambian su sabor para convertirse en neutrinos electrónicos o neutrinos tau, dependiendo de las circunstancias. Además, los tres leptones y sus neutrinos tienen una antipartícula asociada (antileptón).

Para cada uno, los antileptones tienen una masa idéntica, pero todas las demás propiedades se invierten. Estos emparejamientos consisten en el electrón / positrón, muón / antimuón, tau / antitau, neutrino de electrones / antineutrino de electrones, neon de muones / antinuetrino de muan y antineutrino de tau neutrinos / tau.

El presente modelo estándar supone que no existen más de tres tipos (también conocidos como "generaciones") de leptones con sus neutrinos asociados. Esto concuerda con la evidencia experimental que intenta modelar el proceso de nucleosíntesis después del Big Bang, donde la existencia de más de tres leptones habría afectado la abundancia de helio en el Universo temprano.

Propiedades:

Todos los leptones poseen una carga negativa. También poseen una rotación intrínseca en la forma de su giro, lo que significa que los electrones con una carga eléctrica, es decir, "leptones cargados", generarán campos magnéticos. Son capaces de interactuar con otra materia solo a través de fuerzas electromagnéticas débiles. En última instancia, su carga determina la intensidad de estas interacciones, así como la intensidad de su campo eléctrico y cómo reaccionan a los campos eléctricos o magnéticos externos.

Sin embargo, ninguno es capaz de interactuar con la materia a través de fuerzas fuertes. En el modelo estándar, cada leptón comienza sin masa intrínseca. Los leptones cargados obtienen una masa efectiva a través de interacciones con el campo de Higgs, mientras que los neutrinos permanecen sin masa o tienen solo masas muy pequeñas.

Historia de estudio:

El primer leptón que se identificó fue el electrón, que fue descubierto por el físico británico J.J. Thomson y sus colegas en 1897 usaron una serie de experimentos con tubos de rayos catódicos. Los siguientes descubrimientos se produjeron durante la década de 1930, lo que llevaría a la creación de una nueva clasificación para partículas de interacción débil que eran similares a los electrones.

El primer descubrimiento fue realizado por el físico austríaco-suizo Wolfgang Pauli en 1930, quien propuso la existencia del neutrino electrónico para resolver las formas en que la desintegración beta contradecía la ley de Conservación de Energía y las Leyes de Movimiento de Newton (específicamente la Conservación de Momentum and Conservation of Angular Momentum).

El positrón y el muón fueron descubiertos por Carl D. Anders en 1932 y 1936, respectivamente. Debido a la masa del muón, inicialmente se confundió con un mesón. Pero debido a su comportamiento (que se parecía al de un electrón) y al hecho de que no experimentó una fuerte interacción, el muón fue reclasificado. Junto con el electrón y el neutrino electrónico, se convirtió en parte de un nuevo grupo de partículas conocidas como "leptones".

En 1962, un equipo de físicos estadounidenses, compuesto por Leon M. Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger, pudo detectar interacciones por el neutrino muón, lo que demuestra que existía más de un tipo de neutrino. Al mismo tiempo, los físicos teóricos postularon la existencia de muchos otros sabores de neutrinos, que eventualmente se confirmarían experimentalmente.

La partícula tau siguió en la década de 1970, gracias a los experimentos realizados por el físico ganador del Premio Nobel Martin Lewis Perl y sus colegas en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC. La evidencia de su neutrino asociado siguió gracias al estudio de la desintegración de la tau, que mostró la falta de energía y el momento análogo a la falta de energía y el impulso causado por la desintegración beta de los electrones.

En 2000, el neutrino tau se observó directamente gracias al experimento de Observación Directa de NU Tau (DONUT) en Fermilab. Esta sería la última partícula del Modelo Estándar que se observará hasta 2012, cuando el CERN anunció que había detectado una partícula que probablemente era el tan buscado Bosón de Higgs.

Hoy en día, hay algunos físicos de partículas que creen que todavía hay leptones esperando ser encontrados. Estas partículas de "cuarta generación", si de hecho son reales, existirían más allá del Modelo Estándar de física de partículas, y probablemente interactuarían con la materia de formas aún más exóticas.

Hemos escrito muchos artículos interesantes sobre leptones y partículas subatómicas aquí en la revista Space. ¿Qué son las partículas subatómicas ?, ¿qué son los bariones ?, primeras colisiones del LHC, se encontraron dos nuevas partículas subatómicas y los físicos tal vez, solo tal vez, confirmen el posible descubrimiento de la quinta fuerza de la naturaleza.

Para obtener más información, el Centro de visitantes virtuales de SLAC tiene una buena introducción a Leptons y asegúrese de consultar la Revisión de la física de partículas del Grupo de datos de partículas (PDG).

Astronomy Cast también tiene episodios sobre el tema. Aquí está el Episodio 106: La búsqueda de la teoría de todo, y el Episodio 393: El modelo estándar - Leptons & Quarks.

Fuentes: