Durante i secoli XIX e XX, i fisici iniziarono a sondare in profondità la natura della materia e dell'energia. In tal modo, si resero presto conto che le regole che li governano diventano sempre più sfocate man mano che si approfondisce. Mentre la teoria predominante era che tutta la materia era formata da atomi indivisibili, gli scienziati hanno iniziato a rendersi conto che gli atomi sono essi stessi composti da particelle ancora più piccole.
Da queste indagini è nato il Modello standard di fisica delle particelle. Secondo questo modello, tutta la materia nell'Universo è composta da due tipi di particelle: adroni - da cui prende il nome il Large Hadron Collider (LHC) - e leptoni. Laddove gli adroni sono composti da altre particelle elementari (quark, anti-quark, ecc.), I leptoni sono particelle elementari che esistono da sole.
Definizione:
La parola leptone deriva dal greco leptos, che significa "piccolo", "fine" o "sottile". Il primo uso registrato della parola fu del fisico Leon Rosenfeld nel suo libroForze nucleari (1948). Nel libro, ha attribuito l'uso della parola a un suggerimento del chimico e fisico danese Prof. Christian Moller.
Il termine fu scelto per riferirsi a particelle di piccola massa, poiché gli unici leptoni conosciuti ai tempi di Rosenfeld erano i muoni. Queste particelle elementari sono oltre 200 volte più massicce degli elettroni, ma hanno solo circa un nono della massa di un protone. Insieme ai quark, i leptoni sono i mattoni elementari della materia e sono quindi visti come "particelle elementari".
Tipi di leptoni:
Secondo il modello standard, ci sono sei diversi tipi di leptoni. Questi includono le particelle di elettrone, muone e Tau, così come i loro neutrini associati (cioè neutrino elettronico, neutrino muonico e neutrino tau). I leptoni hanno una carica negativa e una massa distinta, mentre i loro neutrini hanno una carica neutra.
Gli elettroni sono i più leggeri, con una massa di 0,000511 gigaelectronvolts (GeV), mentre i muoni hanno una massa di 0,1066 particelle di Gev e Tau (la più pesante) hanno una massa di 1,777 Gev. Le diverse varietà delle particelle elementari sono comunemente chiamate "sapori". Mentre ciascuno dei tre sapori leptonici sono diversi e distinti (in termini di interazioni con altre particelle), non sono immutabili.
Un neutrino può cambiare il suo sapore, un processo noto come "oscillazione del sapore del neutrino". Ciò può assumere diverse forme, tra cui neutrino solare, neutrino atmosferico, reattore nucleare o oscillazioni del fascio. In tutti i casi osservati, le oscillazioni sono state confermate da quello che sembrava essere un deficit nel numero di neutrini in fase di creazione.
Una causa osservata ha a che fare con il "decadimento dei muoni" (vedi sotto), un processo in cui i muoni cambiano il loro sapore per diventare neutrini di elettroni o tau neutrini - a seconda delle circostanze. Inoltre, tutti e tre i leptoni e i loro neutrini hanno un'antiparticella associata (antileptone).
Per ciascuno, gli antileptoni hanno una massa identica, ma tutte le altre proprietà sono invertite. Questi accoppiamenti sono costituiti da elettrone / positrone, muone / antimuone, tau / antitau, elettrone neutrino / elettrone antineutrino, muone neutrino / muan antinuetrino e tau neutrino / tau antineutrino.
Il presente Modello Standard presuppone che non vi siano più di tre tipi (alias "generazioni") di leptoni con i loro neutrini associati esistenti. Ciò si accorda con prove sperimentali che tentano di modellare il processo di nucleosintesi dopo il Big Bang, dove l'esistenza di più di tre leptoni avrebbe influenzato l'abbondanza di elio nell'universo primordiale.
Proprietà:
Tutti i leptoni possiedono una carica negativa. Possiedono anche una rotazione intrinseca sotto forma della loro rotazione, il che significa che gli elettroni con una carica elettrica - vale a dire "leptoni carichi" - genereranno campi magnetici. Sono in grado di interagire con altra materia solo attraverso forze elettromagnetiche deboli. In definitiva, la loro carica determina la forza di queste interazioni, nonché la forza del loro campo elettrico e come reagiscono ai campi elettrici o magnetici esterni.
Tuttavia, nessuno è in grado di interagire con la materia tramite forze forti. Nel modello standard, ogni leptone inizia senza massa intrinseca. I leptoni carichi ottengono una massa efficace attraverso le interazioni con il campo di Higgs, mentre i neutrini rimangono senza massa o hanno solo masse molto piccole.
Storia dello studio:
Il primo leptone ad essere identificato fu l'elettrone, che fu scoperto dal fisico britannico J.J. Thomson e i suoi colleghi nel 1897 utilizzarono una serie di esperimenti con tubi a raggi catodici. Le prossime scoperte arrivarono durante gli anni '30, il che avrebbe portato alla creazione di una nuova classificazione per particelle a interazione debole che erano simili agli elettroni.
La prima scoperta fu fatta dal fisico austriaco-svizzero Wolfgang Pauli nel 1930, che propose l'esistenza del neutrino elettronico al fine di risolvere i modi in cui il decadimento beta contraddiceva la legge sulla conservazione dell'energia e le leggi del movimento di Newton (in particolare la conservazione di Momento e conservazione del momento angolare).
Il positrone e il muone furono scoperti da Carl D. Anders nel 1932 e nel 1936, rispettivamente. A causa della massa del muone, inizialmente fu scambiato per un mesone. Ma a causa del suo comportamento (che assomigliava a quello di un elettrone) e del fatto che non subiva una forte interazione, il muone fu riclassificato. Insieme all'elettrone e al neutrino elettronico, divenne parte di un nuovo gruppo di particelle note come "leptoni".
Nel 1962, una squadra di fisici americani - composta da Leon M. Lederman, Melvin Schwartz e Jack Steinberger - fu in grado di rilevare le interazioni da parte del neutrino muonico, dimostrando così che esisteva più di un tipo di neutrino. Allo stesso tempo, i fisici teorici hanno postulato l'esistenza di molti altri sapori di neutrini, che alla fine sarebbero stati confermati sperimentalmente.
La particella tau è seguita negli anni '70, grazie agli esperimenti condotti dal fisico vincitore del premio Nobel Martin Lewis Perl e dai suoi colleghi presso il National Accelerator Laboratory dello SLAC. Le prove del suo neutrino associato sono seguite grazie allo studio del decadimento della tau, che ha mostrato un'energia e un momento mancanti analoghi all'energia e al momento mancanti causati dal decadimento beta degli elettroni.
Nel 2000, il neutrino tau è stato osservato direttamente grazie all'osservazione diretta dell'esperimento NU Tau (DONUT) a Fermilab. Questa sarebbe l'ultima particella del Modello Standard da osservare fino al 2012, quando il CERN ha annunciato di aver rilevato una particella che era probabilmente il tanto ricercato Higgs Boson.
Oggi ci sono alcuni fisici delle particelle che credono che ci siano ancora leptoni in attesa di essere trovati. Queste particelle di "quarta generazione", se fossero effettivamente reali, esisterebbero al di là del Modello standard della fisica delle particelle e probabilmente interagirebbero con la materia in modi ancora più esotici.
Abbiamo scritto molti articoli interessanti su Lepton e particelle subatomiche qui su Space Magazine. Ecco cosa sono le particelle subatomiche? Quali sono i barioni? Le prime collisioni dell'LHC, due nuove particelle subatomiche trovate e i fisici forse, forse, confermano la possibile scoperta della quinta forza della natura.
Per ulteriori informazioni, il Virtual Visitor Center di SLAC ha una buona introduzione a Leptons e assicurati di dare un'occhiata alla recensione di Particle Data Group (PDG) sulla fisica delle particelle.
Il cast di astronomia ha anche episodi sull'argomento. Ecco l'episodio 106: La ricerca della teoria di tutto, e l'episodio 393: Il modello standard - Leptoni e quark.
fonti:
- Wikipedia - Leptons
- Iperfisica - Leptoni
- Phys.org - Explainer: Cosa sono i Leptoni?
- The Particle Adventure - Leptons
- Encyclopaedia Britannica - Leptons
