輕子

---

簡介

在物理學歷史上，物質的構成一直是一個核心問題。“宇宙是由什麼構成的？”這個問題自古以來就困擾著科學家們。在20世紀初，湯姆遜、盧瑟福等物理學家進行了一些實驗。

他們發現原子並非不可分割，而是由更小的粒子構成。慢慢地，人們逐漸認識到原子由電子、質子和中子組成。質子和中子位於原子核中，電子圍繞原子核旋轉。在20世紀30年代，許多物理學家認為物質基本結構的問題已經解決。但隨著時間的推移，技術的進步提高了實驗室的精度和能力。物理學家開始使用粒子加速器以越來越高的能量將粒子相互碰撞。

在這個過程中，發現了許多新的粒子。μ介子、K介子、π介子等就是這樣的例子。粒子數量如此之多，以至於很難跟蹤它們。因此，物理學家引入了一種對這些粒子進行分類的方案，在物理學中稱為“標準模型”。

什麼是輕子？

基本粒子可以透過多種方式進行分類。一種方法是根據它們的自旋進行分類。所有具有半奇數自旋（例如 -1/2、3/2、5/2 等）的粒子都稱為費米子。自旋為整數（例如 -0、1、2 等）的粒子稱為玻色子。另一種分類方法可以基於粒子的質量。輕質量粒子稱為輕子，中等質量粒子稱為介子，重粒子稱為重子。

輕子是具有半整數自旋的輕質量粒子。輕子可以帶電或中性。帶電的輕子稱為類電子輕子，中性輕子稱為中微子。

反輕子

在粒子物理學中，每個粒子都有一個相應的反粒子。粒子與其反粒子具有相同的質量，但電荷不同。它們的電荷相反。當粒子與其反粒子相互作用時，它們會相互湮滅併產生光子。反輕子是輕子的反粒子。

我們可以在以下過程中看到反輕子的例子：一個W+玻色子衰變併產生正電子和中微子。我們知道電子是一種中微子，這裡正電子是電子的反粒子。因此它是一種反輕子。

輕子的歷史

第一個被發現的輕子是電子。1897年，英國物理學家J.J.湯姆遜發現了它。隨後，1936年，卡爾·安德森發現了μ介子。1930年，沃爾夫岡·泡利提出，為了能量和動量的守恆，在β衰變中應該存在一個粒子。後來這個粒子被確定為電子中微子或中微子。

1940年，引入了一種新的粒子類別，稱為“輕子”。1962年，三位物理學家萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格證明，中微子不僅有一種型別，而且有很多型別。這使他們在1988年獲得了諾貝爾物理學獎。1975年，馬丁·佩爾發現了一種新的輕子類別，τ輕子。為此，他於1995年分享了諾貝爾獎。

2000年，費米實驗室檢測到了有史以來第一次τ中微子相互作用。如今，一些物理學家正在尋找第四代輕子。

輕子的型別

到目前為止，我們知道六種型別的輕子，它們分為三個家族。每個家族都擁有一個反粒子。輕子的型別總結如下

家族	粒子	符號	反粒子	電荷	質量(Me V/C$\mathrm{^{2}}$)	輕子數
電子	電子	$\mathrm{e^{-}}$	$\mathrm{e^{+}}$	-1	0.511	1
	電子中微子	$\mathrm{v_{e}}$	$\mathrm{v_{e}^{-}}$	0	$\mathrm{10^{-7}}$	-1
μ介子	μ介子	$\mathrm{\mu^{-}}$	$\mathrm{\mu^{+}}$	-1	105.7	1
	μ介子中微子	$\mathrm{v_{\mu}}$	$\mathrm{v^{-}_{\mu}}$	0	$\mathrm{10^{-7}}$	-1
τ輕子	τ輕子	$\mathrm{\tau ^{-}}$	$\mathrm{\tau ^{+}}$	-1	1777	1
	τ輕子中微子	$\mathrm{v_{\tau }}$	$\mathrm{v_{\tau }^{-}}$	0	$\mathrm{10^{-7}}$	-1

由於中微子振盪，中微子的質量沒有得到很好的定義。

輕子的特徵

輕子具有一些特定的特徵。其中一些列在下文

• 質量 - 根據標準模型，最初輕子的質量為零，但當帶電輕子與希格斯場相互作用時，它們會獲得質量。

• 相互作用 - 由於一些輕子帶電，因此它們可以感受到電磁相互作用。它們還可以感受到弱相互作用。但是，它們不參與強相互作用。

• 自旋 - 輕子的自旋為1/2，因此它們是費米子。因此，泡利不相容原理適用於它們，這意味著在同一時間，沒有兩個具有相同量子數的輕子可以處於相同的態。

• 手性 - 手性是與“螺旋性”相關的屬性。螺旋性是自旋相對於動量的方向。它們分為兩類：右手性和左手性。在左手性粒子中，自旋和動量方向相同。但在左手性粒子中，自旋和動量方向不相同。

• 輕子數 - 這是一個額外的量子數，用於在粒子反應中區分輕子和反輕子。對於輕子，其值為+1，對於反輕子為-1，對於所有其他粒子為零。它在許多反應中是守恆的，但在中微子振盪中被破壞。

結論

輕子是質量輕的基本粒子。它們是費米子。它們可以感受到弱相互作用和電磁相互作用。輕子有六種型別，它們有三代。輕子的反粒子稱為反輕子。電子、τ輕子和μ介子是一些輕子的例子。

常見問題

Q1. 檢查以下方程的電荷守恆和輕子數守恆

$$\mathrm{\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+v_{e}+v_{\mu }}$$

答：在這個反應中，μ介子衰變成電子。我們可以從第一個表格中看到它們的電荷和輕子數。

電荷：-1 = -1 + 0 +0，因此它守恆電荷

電子輕子數：0= 1 - 1 + 0

μ介子輕子數：1 = 0 + 0 + 1

因此，這個反應也守恆輕子數。

Q2. 什麼是β衰變？

答：這是一種放射性衰變過程。在這個過程中，一個β粒子從原子核中發射出來。在此過程中，質子會轉化為中子或反之亦然。β粒子是高速電子。在β衰變過程中，我們還可以觀察到反中微子的發射。

Q3. 什麼是強子？寫出它們的型別。

答：強子是重基本粒子。它們可以感受到弱、強和電磁相互作用。它們分為兩類：介子和重子。介子是玻色子，重子是費米子。一些例子包括：π介子、質子和中子。

Q4. 寫出粒子相互作用的型別。

答：根據基本力，粒子相互作用可以分為四種類型。

• 引力：最弱的相互作用，它是長程的和有吸引力的。它在粒子物理學中的相互作用是不夠的。

• 電磁力：它既有吸引力也有排斥力，負責它的粒子是光子。

• 弱力：它具有有限範圍的相互作用。它的交換粒子是向量玻色子

• 強力：它是自然界中最強的相互作用。它的交換粒子是介子。

Q5. 寫出輕子和強子的區別。

答：輕子和強子之間主要有三個區別。

輕子	強子
輕質量	重質量
只有費米子	可以是費米子或玻色子
不參與強相互作用	可以參與強相互作用