Лептонные заряды. Типы нейтрино

Третий важный в физике микрочастиц вид взаимодействия - слабый. Его константа a_w»10^-6 (a_s»1, a_e»10^-2). Радиус слабых сил очень мал (»10^-16см). Слабое взаимодействие осуществляется обменом промежуточными бозонами W^±, Z. В слабых взаимодействиях участвуют лептоны и кварки (адроны).

Несмотря на «слабость» слабого взаимодействия его роль в природе весьма велика. Достаточно вспомнить, что водородный цикл, являющийся основным в энергетике нашего Солнца, начинается с реакции

p+p®d + e⁺ + n_e, (12.1)

идущей за счёт слабого взаимодействия.

Одним из признаков проявления слабого взаимодействия является появление нейтрино (антинейтрино). Эти частицы входят в группу лептонов - точечных фундаментальных частиц со спином 1/2, не участвующих в сильных взаимодействиях наряду с W^±, Z бозонами и фотоном -квантом электромагнитного поля. Характеристики лептонов даны в таблице 11.1.

Лептонный заряд, или лептонное квантовое число, было введено в физику частиц в 1955г., когда появились эксперименты, указывающие на нетождественность n и . Был известен распад нейтрона n®p+e^-+Дэвис поставил эксперимент по обнаружению реакции

, (12.2)

которая соответствовала бы внутриядерному процессу . Необходимые для этой реакции антинейтрино брались из реактора, т.е. от распада нейтронов. Реакция (12.2) не была обнаружена. Наиболее естественный способ объяснения этого явления состоит в приписывании электрону и антинейтрино нового (лептонного) квантового числа L_e, равного по величине, но противоположного по знаку. Тогда реакция (12.2) нарушает закон сохранения лептонного заряда и поэтому не должна идти.

Таблица 12.1

Характеристики лептонов (спин ½)

Лептон	Масса, МэВ	Лептонный заряд	Электрич. заряд, ед. е	Время жизни	Основной тип распада
Le	Lm	Lt
e-	0,511	+1			-1	>4,2×1024лет
ne	<3×10-6	+1				стабильно
m-	105,7		+1		-1	2,2×10-6сек	e- nm
nm	<0,19		+1			стабильно
t-				+1	-1	2,9×10-13сек	Адроны + nt e- nt ; m- nt
nt	<18,2			+1		стабильно

В 1962г. был открыт новый тип нейтрино - мюонное нейтрино n_m. Мюон распадается следующим образом:

(12.3)

В то же время распад

m^±® e^±+g, (12.4)

незапрещённый ни одним из известных в то время законов сохранения, не наблюдался. Наиболее простой способ объяснить отсутствие g-распада мюона (также, как и распада на 3 е)состоял в введении нового закона сохранения: закона сохранения мюонного лептонного заряда L_m, отличного от электронного лептонного заряда L_е. Тогда в распаде (12.4) нарушаются законы сохранения L_m и L_е, а распад (12.3) должен быть записан с учётом этого правила.

В 1962г. был поставлен специальный эксперимент, доказывающий отличие n_e от n_m. Выделялся чистый пучок из распада p^-®m^-+и было показано, что с этим пучком идёт реакция

+р®m⁺ +n,

и не идёт реакция

+р®е⁺ +n.

В то же время эта реакция идёт с электронным антинейтрино из ядерного реактора.

В 1975г. группа физиков под руководством Перла на е⁺е^- -коллайдере открыла t- лептон, и в физике элементарных частиц появилось t -лептонное квантовое число L_t и t -лептонное нейтрино n_t.

Таким образом, шесть лептонов подразделяются на три обособленные группы по два лептона, один из которых заряженный, а другой нейтральный: e^-, n_e; m^-,.n_m; t^-, n_t. Эти группы входят вместе с кварками в состав трёх поколений фундаментальных фермионов (см. табл. 12.2).

Таблица 12.2

Фундаментальные фермионы

Второе и третье поколения являются как бы копиями первого, и причина существования подобных копий пока не ясна. Окружающий нас мир состоит из фундаментальных фермионов 1-го поколения. Остальные поколения обнаружены в экспериментах на ускорителях. Следует подчеркнуть, что лептоны и кварки одинаково взаимодействуют с переносчиками слабого поля W^± -бозонами.