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輕子

輕子(Lepton)是一種不参與强相互作用自旋为1/2的基本粒子。[1]電子是最為人知的一種輕子;大部分化學領域都會涉及到與電子的相互作用,原子不能沒有它,所有化學性質都直接與它有關。輕子又分為兩類:「帶電輕子」與「中性輕子」。帶電輕子包括電子、緲子陶子,可以與其它粒子組合成複合粒子,例如原子電子偶素等等。 在所有帶電輕子中,電子的質量最輕,也是宇宙中最穩定、最常見的輕子;質量較重的緲子與陶子會很快地衰變成電子,緲子與陶子必須經過高能量碰撞製成,例如使用粒子加速器或在宇宙線探測實驗。中性輕子包括電中微子緲中微子陶中微子;它們很少與任何粒子相互作用,很難被觀測到。

輕子
β衰變會發射出兩種輕子:
e

ν
e
组成基本粒子
费米-狄拉克
第一代、第二代、第三代
基本相互作用電磁引力
符号
l
反粒子反輕子 (
l
)
类型6 (電子電中微子緲子緲中微子陶子陶中微子
電荷+1 e、0 e、−1 e
色荷No
自旋12

輕子一共有六種風味,形成三個世代[2]第一代是電輕子,包括電子(
e
)與電中微子 (
ν
e
)。第二代是緲輕子,包括緲子(
μ
)與緲中微子
ν
μ
)。第三代是陶輕子,包括陶子
τ
)與陶中微子
ν
τ
)。

輕子擁有很多內秉性質,包括電荷自旋質量等等。輕子與夸克有一點很不相同:輕子不會感受到強作用力。輕子會感受到其它三種基礎力:引力、弱作用力、電磁力。但是,由於中微子的電性是中性,中微子不會感受到電磁力。每一種輕子風味都有其對應的反粒子,稱為「反輕子」。帶電輕子與對應的反輕子唯一不同之處是帶有電荷的正負號相反。根據某些理論,中微子是自己的反粒子,但這論點尚未被證實。

標準模型裏,輕子扮演重要角色,電子是原子的成分之一,與質子中子共同組成原子。在某些被合成的奇異原子裏,電子被更換為緲子或陶子。像電子偶素一類的輕子-反輕子粒子也可以被合成。

詞源學

英文術語「lepton」源自希臘語λεπτόν」(leptón),是「λεπτός」(leptós)的中性,含意為"小、薄"。[3]萊昂·羅森菲爾德於1948年最先為英文術語「lepton」命名。 [4]

克理斯蒂安·莫勒英语Christian Møller教授的建議之後,決定用「lepton」(從「λεπτός」,小、薄)這字來稱呼一種小質量的粒子。

這命名不正確地假定所有輕子的質量都很小。在洛森斐命名那時,學術界只知道有電子與緲子兩種輕子。它們的質量的確很小,電子的質量為0.511 MeV[5]緲子的質量為105.7 MeV[6]比質子的質量938.3 MeV輕很多[7]。可是,在1970年代中期發現的陶子,它的質量是1777 MeV[8],幾乎是質子的兩倍。

歷史

 
馬丁·佩爾與他的實驗團隊發現陶子。

最先被辨識的輕子是電子,英國物理學者約瑟夫·湯姆森與實驗團隊於1897年發現電子。[9][10]1930年,沃爾夫岡·包立大膽假設電中微子存在,這是為了解釋β衰變的能量缺失問題,挽救能量守恆定律;包立認為,所有最初與最終觀察到的粒子的能量差,都被一種尚未探測到的粒子帶走了,這粒子具有電中性,不會留下軌跡,所以很難探測到。[11][12]三年後,恩里科·費米給出理論,成功描述β衰變,強力支持包立的假設。費米將這粒子命名為「中微子」,意思為「微小的中子」。在那時期,電中微子被稱為中微子,因為尚未發現其它世代的中微子。1956年,克萊德·科溫弗雷德里克·萊因斯共同完成科溫-萊因斯中微子實驗英语Cowan–Reines neutrino experiment首先直接觀察到中微子的存在。[12][13]

在電子被發現大約40年之後,卡爾·安德森於1936年發現了緲子。由於它的質量,緲子最初被歸類為介子,而不是輕子。[14]漸漸地,學者發覺緲子的性質更接近電子,只是質量比較大,而且緲子不會感受到強相對作用,不具有介子的性質。1947年,才有學者開始提議一群粒子被歸類為輕子的概念。[12] 後來,緲子被重新歸類,緲子、電子與電中微子一起被歸類為輕子。1962年 利昂·萊德曼梅爾文·施瓦茨傑克·施泰因貝格爾做實驗直接探測到緲中微子,證實不只一種中微子存在。[15]

馬丁·佩爾與他的實驗團隊於1975年完成實驗首先探測到陶子。[16]如同電子與緲子,物理學者認為它應該也有伴隨的中微子,這是因為他們觀察到類似β衰變的缺失能量問題。費米實驗室的直接觀察陶中微子實驗(Direct Observation of the NU Tau,DONUT )團隊於2000年探測到陶中微子參與作用的證據。[17]

虽然現有數據符合三個世代的輕子,有些粒子物理學者仍在尋找第四代帶電輕子。這種帶電輕子的質量下限為100.8 GeV[18]伴隨它的中微子最少應該帶有質量45.0 GeV[19]

性質

自旋與手徵性

 
右手螺旋性(  同向)與左手螺旋性(  反向)。

輕子是自旋12粒子,只能處於兩種自旋態:上旋或下旋。自旋統計定理將它們按照自旋歸類為費米子,遵守包立不相容原理,因此任何兩個全同的輕子不能同時佔有相同的量子態。[20]:28-29

手徵性螺旋性(helicity)是與自旋緊密相關的兩種性質,螺旋性跟粒子的自旋與動量之間的相對方向有關;假若是同向,則粒子具有右手螺旋性,否則粒子具有左手螺旋性。對於不帶質量粒子,這相對方向與參考系無關,可是,對於帶質量粒子,由於可以藉著洛倫茲變換來改換參考系,從不同的參考系觀察,粒子動量不同,因此翻改螺旋性,可以從右手螺旋性翻改為左手螺旋性,或從左手螺旋性翻改為右手螺旋性。手徵性是通過龐加萊群(Poincaré group)的變換來定義的性質。對於不帶質量粒子,手徵性與螺旋性一致;對於帶質量粒子,手徵性與螺旋性有別。[21]:137-138, 338-340

在很多量子場論裏,例如量子電動力學量子色動力學,並沒有對左手與右手費米子作任何區分,可是,在標準模型的弱相互作用理論裏,按照手徵性區分的左手與右手費米子被非對稱地處理,只有左手費米子參與弱相互作用,右手中微子不存在。這是宇稱違反的典型例子。[21]:ch 9.7

電磁相互作用

 
輕子-光子相互作用。

輕子的電荷 決定了它所產生的電磁場,也決定了它怎樣響應外電磁場。輕子的每個世代的組員都有一個帶電輕子 與一個中性輕子 ,例如,第一代輕子為電子
e
與電中微子
ν
e

使用量子場論的語言,帶電輕子所涉及的電磁相互作用表達為這輕子與電磁場的量子(光子)彼此之間的相互作用。右圖是電子-光子相互作用的費曼圖

由於輕子具有自旋,帶電輕子會產生磁場,磁偶極矩 

 

其中, 是輕子的質量, 是輕子的g-因數(g-factor)。

一階近似量子力學預測,對於所有輕子,g-因數為2;可是高階量子效應,因為費曼圖裏的虛粒子圈對於這數字給出修正。這些修正,稱為反常磁偶極矩(anomalous magnetic dipole moment),對於量子場論模型的細節非常敏感,因此是準確檢驗標準模型的好機會。對於電子測量其反常磁偶極矩所得到的實驗數值符合理論結果至8個有效數字。[22]:197

弱相互作用

     
第一代輕子的弱相互作用。

在標準模型裏,輕子可以按照手徵性分為左手輕子與右手輕子;左手輕子的弱同位旋T為12,左手帶電輕子與左手中微子的弱同位旋投影(弱同位旋的第三分量)T3分別為-12、+12,弱相互作用是由它們組成二重態(doublet state)(
ν
e
L,
e
L)
共同實現;右手帶電輕子的弱同位旋T為0,形成單態,不參與弱相互作用;右手中微子並不存在。[21]:342-344

希格斯機制將弱同位旋SU(2)弱超荷U(1)對稱的四個規範場,重新組合成傳遞弱相對作用的三個帶質量玻色子 (
W+

W

Z0
)與傳遞電磁相對作用的不帶質量玻色子(光子)。通過蓋爾曼-西島方程,可以從弱同位旋投影T3與弱超荷YW計算出電荷Q

 

為了符合觀察到的任何粒子所帶有的電荷,所有左手弱同位旋二重態(
ν
e
L,
e
L)
的弱超荷YW必須為-1,而右手弱同位旋單態(
e
R)
的弱超荷YW必須為-2。

質量

在標準模型裏,每一個輕子原本不具有內秉質量;通過與希格斯場耦合,帶電輕子獲得有效質量,但中微子仍舊不帶質量,這意味著不同世代的帶電輕子不會相互混合,與夸克的物理行為大不相同。這結果符合當今實驗數據。[22]:27

但是,從實驗中得知(最顯著的是中微子振盪實驗),[23]中微子實際帶有微小質量,大約小於eV[24]這意味著後標準模型 (beyond the Standard Model)的物理現象。當今最被物理學者青睞的理論延伸是翹翹板機制,它可以解釋為甚麼左手中微子的質量遠輕於對應的帶電輕子,為甚麼做實驗尚未能觀察到任何右手中微子。

輕子數

每一代輕子的成員組成一個弱同位旋二重態:

   

每一代弱同位旋二重態的成員都被分派一個輕子數。在標準模型裏,輕子數守恆。[25]:27-49電子與電中微子的電子數Le為1。緲子與緲中微子的緲子數Lμ為1。陶子與陶中微子的陶子數Lτ為1。 反輕子的輕子數為對應輕子的輕子數乘以−1。

輕子數守恆的意思就是同類氫子數的代數和保持不變,當粒子耦合時;這意味著只有同一代的輕子與反輕子才能成對產生。例如,以下過程是被允許的:


e
+
e+

γ
+
γ

τ
+
τ+

Z0
+
Z0

以下過程是不被允許的:


γ

e
+
μ+

W

e
+
ν
τ

Z0

μ
+
τ+

但是,中微子振盪違反單獨輕子數守恆,這是後標準模型物理的確鑿證據。更強的守恆定律是總輕子數守恆。中微子振盪遵守總輕子數守恆。但是,手徵反常英语chiral anomaly稍微違反了這守恆定律。

普適性

輕子與對應的中微子之間的相互作用與風味無關,換句話說,對於電子與電中微子之間的相互作用、緲子與緲中微子之間的相互作用、陶子與陶中微子之間的相互作用,假若將質量差別納入考量,則這三種相互作用的效應相等。這性質稱為輕子相互作用的「普適性」。所有已知實驗數據與這種普適性一致[25]:36-38做實驗測量陶子與緲子的平均壽命,或Z玻色子衰變為輕子的部分衰變寬度,可以檢驗這性質。在大型正负电子对撞机史丹福直線加速器裏,完成了很多這類檢驗普適性的實驗。[26]:241-243[27]:138

對於過程
μ

e
+
ν
e
+
ν
μ
,緲子的衰變率 以方程式表示為(更詳盡內容,請參閱緲子衰變[25]:36-38

 

其中, 是常數, 費米耦合常數 是緲子的質量。

對於過程
τ

e
+
ν
e
+
ν
τ
,陶子的衰變率 以同樣形式的方程式表示為

 

其中, 是常數, 是陶子的質量。

緲子-陶子普適性意味著 。普適性也能夠解釋緲子壽命與陶子壽命之間的關係。輕子的壽命 與衰變率 之間的關係為

 

其中,  分別標記過程 的分支比與共振寬度

陶子與緲子的壽命比因此為

 

從實驗獲得的緲子分支比與陶子分支比,可以計算出壽命比為大約1.328×10−7,實驗測量得到的壽命比為 ~1.323×10−7。兩者之差異是因為  實際並不是常數,它們與輕子的質量有關。

另外,由於電子-緲子普適性,陶子衰變為電子的分支比(17.85%) 與衰變為緲子的分支比 (17.36%) 相同(在誤差範圍內):[8]

 

輕子列表

粒子/反粒子名字 符號 電荷 (e) 自旋 Le Lμ Lτ 質量(MeV) 壽命 () 通常衰變
電子 / 正子[5]
e
/
e+
−1/+1 12 +1/−1 0 0 0.510998910(13) 穩定 穩定
緲子 / 反緲子[6]
μ
/
μ+
−1/+1 12 0 +1/−1 0 105.6583668(38) 2.197019(21)×10−6
e
+
ν
e
+
ν
μ
陶子 / 反陶子[8]
τ
/
τ+
−1/+1 12 0 0 +1/−1 1776.84(17) 2.906(10)×10−13 http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s035.pdf (页面存档备份,存于互联网档案馆
電中微子 / 反電中微子[24]
ν
e
/
ν
e
0 12 +1/−1 0 0 < 0.0000022[28] 未知
緲中微子 / 反緲中微子[24]
ν
μ
/
ν
μ
0 12 0 +1/−1 0 < 0.17[28] 未知
陶中微子 / 反陶中微子[24]
ν
τ
/
ν
τ
0 12 0 0 +1/−1 < 15.5[28] 未知

參阅

參考文獻

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輕子, lepton, 是一種不参與强相互作用, 自旋为1, 2的基本粒子, 電子是最為人知的一種, 大部分化學領域都會涉及到與電子的相互作用, 原子不能沒有它, 所有化學性質都直接與它有關, 又分為兩類, 帶電, 中性, 帶電包括電子, 緲子, 陶子, 可以與其它粒子組合成複合粒子, 例如原子, 電子偶素等等, 在所有帶電中, 電子的質量最輕, 也是宇宙中最穩定, 最常見的, 質量較重的緲子與陶子會很快地衰變成電子, 緲子與陶子必須經過高能量碰撞製成, 例如使用粒子加速器或在宇宙線探測實驗, 中性包括電中微子, . 輕子 Lepton 是一種不参與强相互作用 自旋为1 2的基本粒子 1 電子是最為人知的一種輕子 大部分化學領域都會涉及到與電子的相互作用 原子不能沒有它 所有化學性質都直接與它有關 輕子又分為兩類 帶電輕子 與 中性輕子 帶電輕子包括電子 緲子 陶子 可以與其它粒子組合成複合粒子 例如原子 電子偶素等等 在所有帶電輕子中 電子的質量最輕 也是宇宙中最穩定 最常見的輕子 質量較重的緲子與陶子會很快地衰變成電子 緲子與陶子必須經過高能量碰撞製成 例如使用粒子加速器或在宇宙線探測實驗 中性輕子包括電中微子 緲中微子 陶中微子 它們很少與任何粒子相互作用 很難被觀測到 輕子b衰變會發射出兩種輕子 e 與n e组成基本粒子系费米 狄拉克代第一代 第二代 第三代基本相互作用電磁 引力 弱符号l反粒子反輕子 l 类型6 電子 電中微子 緲子 緲中微子 陶子 陶中微子 電荷 1 e 0 e 1 e色荷No自旋1 2本页面包含特殊字符 部分操作系统及浏览器需要特殊字母与符号支持才能正確显示 否则可能出现乱码 问号 空格等其它符号 輕子一共有六種風味 形成三個世代 2 第一代是電輕子 包括電子 e 與電中微子 ne 第二代是緲輕子 包括緲子 m 與緲中微子 nm 第三代是陶輕子 包括陶子 t 與陶中微子 nt 輕子擁有很多內秉性質 包括電荷 自旋 質量等等 輕子與夸克有一點很不相同 輕子不會感受到強作用力 輕子會感受到其它三種基礎力 引力 弱作用力 電磁力 但是 由於中微子的電性是中性 中微子不會感受到電磁力 每一種輕子風味都有其對應的反粒子 稱為 反輕子 帶電輕子與對應的反輕子唯一不同之處是帶有電荷的正負號相反 根據某些理論 中微子是自己的反粒子 但這論點尚未被證實 在標準模型裏 輕子扮演重要角色 電子是原子的成分之一 與質子 中子共同組成原子 在某些被合成的奇異原子裏 電子被更換為緲子或陶子 像電子偶素一類的輕子 反輕子粒子也可以被合成 目录 1 詞源學 2 歷史 3 性質 3 1 自旋與手徵性 3 2 電磁相互作用 3 3 弱相互作用 3 4 質量 3 5 輕子數 4 普適性 5 輕子列表 6 參阅 7 參考文獻詞源學 编辑英文術語 lepton 源自希臘語 lepton lepton 是 leptos leptos 的中性 含意為 小 薄 3 萊昂 羅森菲爾德於1948年最先為英文術語 lepton 命名 4 在克理斯蒂安 莫勒 英语 Christian Moller 教授的建議之後 決定用 lepton 從 leptos 小 薄 這字來稱呼一種小質量的粒子 這命名不正確地假定所有輕子的質量都很小 在洛森斐命名那時 學術界只知道有電子與緲子兩種輕子 它們的質量的確很小 電子的質量為6986818712184856999 0 511 MeV 5 緲子的質量為6989169350054675900 105 7 MeV 6 比質子的質量6990150332219775210 938 3 MeV 輕很多 7 可是 在1970年代中期發現的陶子 它的質量是6990284706761739900 1777 MeV 8 幾乎是質子的兩倍 歷史 编辑 馬丁 佩爾與他的實驗團隊發現陶子 最先被辨識的輕子是電子 英國物理學者約瑟夫 湯姆森與實驗團隊於1897年發現電子 9 10 1930年 沃爾夫岡 包立大膽假設電中微子存在 這是為了解釋b衰變的能量缺失問題 挽救能量守恆定律 包立認為 所有最初與最終觀察到的粒子的能量差 都被一種尚未探測到的粒子帶走了 這粒子具有電中性 不會留下軌跡 所以很難探測到 11 12 三年後 恩里科 費米給出理論 成功描述b衰變 強力支持包立的假設 費米將這粒子命名為 中微子 意思為 微小的中子 在那時期 電中微子被稱為中微子 因為尚未發現其它世代的中微子 1956年 克萊德 科溫與弗雷德里克 萊因斯共同完成科溫 萊因斯中微子實驗 英语 Cowan Reines neutrino experiment 首先直接觀察到中微子的存在 12 13 在電子被發現大約40年之後 卡爾 安德森於1936年發現了緲子 由於它的質量 緲子最初被歸類為介子 而不是輕子 14 漸漸地 學者發覺緲子的性質更接近電子 只是質量比較大 而且緲子不會感受到強相對作用 不具有介子的性質 1947年 才有學者開始提議一群粒子被歸類為輕子的概念 12 後來 緲子被重新歸類 緲子 電子與電中微子一起被歸類為輕子 1962年 利昂 萊德曼 梅爾文 施瓦茨與傑克 施泰因貝格爾做實驗直接探測到緲中微子 證實不只一種中微子存在 15 馬丁 佩爾與他的實驗團隊於1975年完成實驗首先探測到陶子 16 如同電子與緲子 物理學者認為它應該也有伴隨的中微子 這是因為他們觀察到類似b衰變的缺失能量問題 費米實驗室的直接觀察陶中微子實驗 Direct Observation of the NU Tau DONUT 團隊於2000年探測到陶中微子參與作用的證據 17 虽然現有數據符合三個世代的輕子 有些粒子物理學者仍在尋找第四代帶電輕子 這種帶電輕子的質量下限為6992161499389889600 100 8 GeV 18 伴隨它的中微子最少應該帶有質量6991720979419149999 45 0 GeV 19 性質 编辑自旋與手徵性 编辑 右手螺旋性 P displaystyle mathbf P S displaystyle mathbf S 同向 與左手螺旋性 P displaystyle mathbf P S displaystyle mathbf S 反向 輕子是自旋1 2 粒子 只能處於兩種自旋態 上旋或下旋 自旋統計定理將它們按照自旋歸類為費米子 遵守包立不相容原理 因此任何兩個全同的輕子不能同時佔有相同的量子態 20 28 29手徵性與螺旋性 helicity 是與自旋緊密相關的兩種性質 螺旋性跟粒子的自旋與動量之間的相對方向有關 假若是同向 則粒子具有右手螺旋性 否則粒子具有左手螺旋性 對於不帶質量粒子 這相對方向與參考系無關 可是 對於帶質量粒子 由於可以藉著洛倫茲變換來改換參考系 從不同的參考系觀察 粒子動量不同 因此翻改螺旋性 可以從右手螺旋性翻改為左手螺旋性 或從左手螺旋性翻改為右手螺旋性 手徵性是通過龐加萊群 Poincare group 的變換來定義的性質 對於不帶質量粒子 手徵性與螺旋性一致 對於帶質量粒子 手徵性與螺旋性有別 21 137 138 338 340在很多量子場論裏 例如量子電動力學與量子色動力學 並沒有對左手與右手費米子作任何區分 可是 在標準模型的弱相互作用理論裏 按照手徵性區分的左手與右手費米子被非對稱地處理 只有左手費米子參與弱相互作用 右手中微子不存在 這是宇稱違反的典型例子 21 ch 9 7 電磁相互作用 编辑 輕子 光子相互作用 輕子的電荷Q displaystyle Q 決定了它所產生的電磁場 也決定了它怎樣響應外電磁場 輕子的每個世代的組員都有一個帶電輕子Q 1 displaystyle Q 1 與一個中性輕子Q 0 displaystyle Q 0 例如 第一代輕子為電子e 與電中微子ne 使用量子場論的語言 帶電輕子所涉及的電磁相互作用表達為這輕子與電磁場的量子 光子 彼此之間的相互作用 右圖是電子 光子相互作用的費曼圖 由於輕子具有自旋 帶電輕子會產生磁場 磁偶極矩m displaystyle mu 為 m g Q e ℏ 4 m displaystyle mu g frac Qe hbar 4m 其中 m displaystyle m 是輕子的質量 g displaystyle g 是輕子的g 因數 g factor 一階近似量子力學預測 對於所有輕子 g 因數為2 可是高階量子效應 因為費曼圖裏的虛粒子圈對於這數字給出修正 這些修正 稱為反常磁偶極矩 anomalous magnetic dipole moment 對於量子場論模型的細節非常敏感 因此是準確檢驗標準模型的好機會 對於電子測量其反常磁偶極矩所得到的實驗數值符合理論結果至8個有效數字 22 197 弱相互作用 编辑 第一代輕子的弱相互作用 在標準模型裏 輕子可以按照手徵性分為左手輕子與右手輕子 左手輕子的弱同位旋T為1 2 左手帶電輕子與左手中微子的弱同位旋投影 弱同位旋的第三分量 T3分別為 1 2 1 2 弱相互作用是由它們組成二重態 doublet state ne L e L 共同實現 右手帶電輕子的弱同位旋T為0 形成單態 不參與弱相互作用 右手中微子並不存在 21 342 344希格斯機制將弱同位旋SU 2 與弱超荷U 1 對稱的四個規範場 重新組合成傳遞弱相對作用的三個帶質量玻色子 W W Z0 與傳遞電磁相對作用的不帶質量玻色子 光子 通過蓋爾曼 西島方程 可以從弱同位旋投影T3與弱超荷YW計算出電荷Q Q T 3 Y W 2 displaystyle Q T 3 Y W 2 為了符合觀察到的任何粒子所帶有的電荷 所有左手弱同位旋二重態 ne L e L 的弱超荷YW必須為 1 而右手弱同位旋單態 e R 的弱超荷YW必須為 2 質量 编辑 在標準模型裏 每一個輕子原本不具有內秉質量 通過與希格斯場耦合 帶電輕子獲得有效質量 但中微子仍舊不帶質量 這意味著不同世代的帶電輕子不會相互混合 與夸克的物理行為大不相同 這結果符合當今實驗數據 22 27但是 從實驗中得知 最顯著的是中微子振盪實驗 23 中微子實際帶有微小質量 大約小於6981320435297400000 2 eV 24 這意味著後標準模型 beyond the Standard Model 的物理現象 當今最被物理學者青睞的理論延伸是翹翹板機制 它可以解釋為甚麼左手中微子的質量遠輕於對應的帶電輕子 為甚麼做實驗尚未能觀察到任何右手中微子 輕子數 编辑 主条目 輕子數 每一代輕子的成員組成一個弱同位旋二重態 n e e displaystyle binom nu e e n m m displaystyle binom nu mu mu n t t displaystyle binom nu tau tau 每一代弱同位旋二重態的成員都被分派一個輕子數 在標準模型裏 輕子數守恆 25 27 49電子與電中微子的電子數Le為1 緲子與緲中微子的緲子數Lm為1 陶子與陶中微子的陶子數Lt為1 反輕子的輕子數為對應輕子的輕子數乘以 1 輕子數守恆的意思就是同類氫子數的代數和保持不變 當粒子耦合時 這意味著只有同一代的輕子與反輕子才能成對產生 例如 以下過程是被允許的 e e g g t t Z0 Z0 以下過程是不被允許的 g e m W e nt Z0 m t 但是 中微子振盪違反單獨輕子數守恆 這是後標準模型物理的確鑿證據 更強的守恆定律是總輕子數守恆 中微子振盪遵守總輕子數守恆 但是 手徵反常 英语 chiral anomaly 稍微違反了這守恆定律 普適性 编辑輕子與對應的中微子之間的相互作用與風味無關 換句話說 對於電子與電中微子之間的相互作用 緲子與緲中微子之間的相互作用 陶子與陶中微子之間的相互作用 假若將質量差別納入考量 則這三種相互作用的效應相等 這性質稱為輕子相互作用的 普適性 所有已知實驗數據與這種普適性一致 25 36 38做實驗測量陶子與緲子的平均壽命 或Z玻色子衰變為輕子的部分衰變寬度 可以檢驗這性質 在大型正负电子对撞机與史丹福直線加速器裏 完成了很多這類檢驗普適性的實驗 26 241 243 27 138對於過程m e n e nm 緲子的衰變率G displaystyle Gamma 以方程式表示為 更詳盡內容 請參閱緲子衰變 25 36 38 G m e n e n m K 1 G F 2 m m 5 displaystyle Gamma left mu rightarrow e bar nu e nu mu right K 1 G F 2 m mu 5 其中 K 1 displaystyle K 1 是常數 G F displaystyle G F 是費米耦合常數 m m displaystyle m mu 是緲子的質量 對於過程t e n e nt 陶子的衰變率G displaystyle Gamma 以同樣形式的方程式表示為 G t e n e n t K 2 G F 2 m t 5 displaystyle Gamma left tau rightarrow e bar nu e nu tau right K 2 G F 2 m tau 5 其中 K 2 displaystyle K 2 是常數 m t displaystyle m tau 是陶子的質量 緲子 陶子普適性意味著K 1 K 2 displaystyle K 1 K 2 普適性也能夠解釋緲子壽命與陶子壽命之間的關係 輕子的壽命L l displaystyle L l 與衰變率G displaystyle Gamma 之間的關係為 L l 1 G t o t a l B l e n e n l G l e n e n l displaystyle L l frac 1 Gamma total frac B left l rightarrow e bar nu e nu l right Gamma left l rightarrow e bar nu e nu l right 其中 B x y displaystyle B x rightarrow y 與G x y displaystyle Gamma x rightarrow y 分別標記過程x y displaystyle x rightarrow y 的分支比與共振寬度 陶子與緲子的壽命比因此為 L t L m B t e n e n t B m e n e n m m m m t 5 displaystyle frac L tau L mu frac B left tau rightarrow e bar nu e nu tau right B left mu rightarrow e bar nu e nu mu right left frac m mu m tau right 5 從實驗獲得的緲子分支比與陶子分支比 可以計算出壽命比為大約6993132800000000000 1 328 10 7 實驗測量得到的壽命比為 6993132299999999999 1 323 10 7 兩者之差異是因為K 1 displaystyle K 1 K 2 displaystyle K 2 實際並不是常數 它們與輕子的質量有關 另外 由於電子 緲子普適性 陶子衰變為電子的分支比 17 85 與衰變為緲子的分支比 17 36 相同 在誤差範圍內 8 G t e n e n t G t m n m n t displaystyle Gamma left tau rightarrow e bar nu e nu tau right Gamma left tau rightarrow mu bar nu mu nu tau right 輕子列表 编辑粒子 反粒子名字 符號 電荷 e 自旋 Le Lm Lt 質量 MeV 壽命 秒 通常衰變電子 正子 5 e e 1 1 1 2 1 1 0 0 6999510998910000000 0 510998910 13 穩定 穩定緲子 反緲子 6 m m 1 1 1 2 0 1 1 0 7002105658366800000 105 6583668 38 6994219701899999999 2 197019 21 10 6 e n e nm陶子 反陶子 8 t t 1 1 1 2 0 0 1 1 7003177684000000000 1776 84 17 6987290600000000000 2 906 10 10 13 http pdg lbl gov 2008 listings s035 pdf 页面存档备份 存于互联网档案馆 電中微子 反電中微子 24 ne n e 0 1 2 1 1 0 0 lt 6994220000000000000 0 0000022 28 未知緲中微子 反緲中微子 24 nm n m 0 1 2 0 1 1 0 lt 0 17 28 未知陶中微子 反陶中微子 24 nt n t 0 1 2 0 0 1 1 lt 15 5 28 未知參阅 编辑粒子列表 夸克參考文獻 编辑 Lepton physics Encyclopaedia Britannica 2010 09 29 原始内容存档于2015 05 11 R Nave Leptons HyperPhysics Georgia State University Department of Physics and Astronomy 2010 09 29 原始内容存档于2015 04 02 leptos Liddell Henry George Scott Robert A Greek English Lexicon at the Perseus Project L Rosenfeld 1948 5 0 5 1 C Amsler et al 2008 web archive org web 20170211045632 http pdg lbl gov 2008 listings s003 pdf 页面存档备份 存于互联网档案馆 页面存档备份 存于互联网档案馆 页面存档备份 存于互联网档案馆 Particle listings e 页面存档备份 存于互联网档案馆 6 0 6 1 C Amsler et al 2008 web archive org web 20170130221229 http pdg lbl gov 2008 listings s004 pdf 页面存档备份 存于互联网档案馆 页面存档备份 存于互联网档案馆 页面存档备份 存于互联网档案馆 Particle listings m 页面存档备份 存于互联网档案馆 C Amsler et al 2008 web archive org web 20170130221338 http pdg lbl gov 2008 listings s016 pdf 页面存档备份 存于互联网档案馆 页面存档备份 存于互联网档案馆 页面存档备份 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