1. 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⁺ + _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  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	L	L
e-	0,511	+1	0	0	-1	>4,21024лет
e	<310-6	+1	0	0	0	стабильно
-	105,7	0	+1	0	-1	2,210-6сек	e- 
	<0,19	0	+1	0	0	стабильно
-	1777	0	0	+1	-1	2,910-13сек	Адроны +  e-  ; - 
	<18,2	0	0	+1	0	стабильно

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

(12.3)

В то же время распад

^ e^+, (12.4)

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

В 1962г. был поставлен специальный эксперимент, доказывающий отличие _e от _. Выделялся чистый пучок из распада ^-^-+ и было показано, что с этим пучком идёт реакция

+р⁺ +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 -лептон, и в физике элементарных частиц появилось -лептонное квантовое число L_ и -лептонное нейтрино _.

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

Таблица 12.2

Фундаментальные фермионы

Тип	спин	Заряд, ед. е	Поколения
			1	2	3
кварки	1/2	+2/3	u	c	t
		-1/3	d	s	b
лептоны	1/2	-1	e-	-	-
			e		

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.