§ 6.3. Лептоны

Лептонами называются элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимо­действии и имеющие спин , то есть являющиеся фермионами. Из класса лептонов исключают фотон и гравитон, также не участвующие в сильном взаимодействии, поскольку они являются бозонами. Все представители класса лептонов и их основные характеристики приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Семейство лептонов	Частица	Лептонный заряд			Спин, h	Масса, МэВ	Среднее время жизни, с
		Le	Lμ	Lτ
Электронный дублет Е Мюонный дублет М Таонный дублет T	νe μ – νμ τ – ντ	+1 +1 0 0 0 0	0 0 +1 +1 0 0	0 0 0 0 +1 +1	½ ½ ½ ½ ½ ½	0,511 <46 ·10–6 105,66 <0,25 1784 <70	∞ ∞ 2,2 ·10–6 ∞ 3,5 ·10–13 ∞

Общее число лептонов невелико — их всего 6. Известно три заряженных лептона, участвующих в электромагнитном и слабом взаимодействиях: электрон e ^– , мюон μ ^–, таон τ ^–. Каждому из них соответствует нейтральная частица, участвующая только в слабом взаимодействии: электронное нейтрино ν_e, мюонное нейтрино ν_μ, таонное нейтрино ν_τ. Иными словами, существует три семейства лептонов – три лептонных дублета: электронный дублет Е – (е , v_e), мюонный дублет M – (μ ^–, ν_μ ), таонный дублет T – (τ ^– , ν_τ ). Каждому из них соответствует, дублет антилептонов.

Члены данного дублета различаются значениями электрического заряда, заряженные лептоны – значениями массы. Но главное, все лептоны и антилептоны, в том числе три типа нейтрино, а также нейтрино и антинейт­рино данного типа, различаются характером взаимопревращений. Так, например, из реакций

(6.3.1)

(6.3.2)

(6.3.3)

те, которые записаны слева, разрешены, и все они реально протекают, а те, которые записаны справа, запрещены и ни одна из них не наблюдалась.

С помощью первой реакции в (6.6) было впервые экспериментально зарегистрировано антинейтрино (1953 – 1956). Реакция первого типа в (6.7) используется в настоящее время для регистрации солнечных нейтрино. Изучение процессов (1962), представлен­ных в последней строке (6.8), показало отличие мюонных нейтрино ν_μ от элект­ронных нейтрино v_e. В этих опытах первичный пучок протонов от ускорителя направ­лялся на мишень и генерировал вторичный пучок π⁺-мезонов. Они распадались по схеме

(6.3.4),

и образующиеся в значительном количестве нейтрино падали на свою мишень, хорошо защищенную от фона. Если бы мюонное нейтрино было тождествен­но электронному, участвующему, например, в β ^–-превращениях ядер, то гораздо более вероятным было бы образование в конечном состоянии электронов [реакция (6.7) слева], так как они много легче мюонов. На самом деле ни одного такого процесса не наблюдалось, а все они шли с образованием только мюона [реакция (6.8) слева].

Для того чтобы выделить класс лептонов из множества частиц и различить лептоны и антилептоны, прежде всего нейтрино и антинейтрино, была введена новая физическая величина – лептонный заряд L. По определению, для всех лептонов L = +1, для всех антилептонов L= – 1, для остальных частиц L = 0. Таким образом, можно сказать, что антинейтрино отличается от нейтрино знаком лептонного заряда, подобно тому, как позитрон и электрон различаются знаками электрического заряда (и лептонного тоже). На первый взгляд может показаться, что такое различие является чисто формальным. Но главное здесь в том, что лептонный заряд, как считается, сохраняется в любом взаимодействии, и пока это предположение подтверждается всей совокупностью опыт­ных данных. Именно поэтому, в частности, реакция слева в (6.6) разрешена (L сохраняется). По этой же причине при обычном β ^–-распаде вместе с электроном (L = + l) образуется именно антинейтрино (L = – 1), но не нейтрино (L = +1). В последнем случае лептонный заряд в начальном состоянии (нейтрон) был бы равен нулю, а в конечном состоянии (протон, электрон и нейтрино) было бы L= +2.

В дальнейшем для каждого лептонного дублета потребовалось ввести свой «заряд»: электронный лептонный заряд L_e, мюонный заряд L_μ и таонный заряд L_τ. Значения этих квантовых чисел приведены в таблице 6.1, а для антилептонов они имеют противоположные знаки. Полный лептонный заряд равен

L = L_e+ L_μ + L_τ (6.3.5)

Считается, что во всех взаимодействиях сохраняется не только L, но и каждый его компонент L_e , L_μ , L_τ по отдельности. Именно по этой причине реакция слева в (6.8) разрешена, а справа запрещена. В ней нарушались бы сразу два закона сохранения: электронного заряда L_e, и мюонного заряда L_μ (но не лептонного заряда L в целом). По той же причине в природе отсутствует, по-видимому, наиболее «естественный» распад мюона:

(6.3.6)

Во всяком случае, настойчивые попытки экспериментаторов обнаружить его не увенчались успехом.