لبتون (فيزياء)

لبتون بالإنگليزية: lepton هوجسيم أولي ومكون أساسي للمادة. وأشهر اللبتونات المعروفة هوالالكترون والذي يحكم عمليات الكيمياء كلها لأنه موجود في أغلفة الذرات وترتبط به الخصائص الكيميائية كلها. وتوجد فئتين أساسيتين للبتونات: المشحونة منها (وتعهد أيضا بلبتونات شبيه-الإلكترون)، ومحايدة (المشهورة باسم نيترينو). ويمكن للبتونات المشحونة حتى تندمج مع جسيمات أخرى لتكوين جسيمات مركبة مثل الذرات وذرة الميونيوم الغريبة وبوزيترونيوم ، بينما النيترينوفهوضعيف التفاعل مع المادة فهونادرا الرصد.

هناك ست أنواع من اللبتونات وتعهد باسم النكهات وتكون ثلاثة أجيال. أول جيل منها هواللبتونات الإلكترونية وتضم الإلكترونات (Error no symbol defined) والكترون نيترينو(Error no symbol defined); والجيل الثاني هواللبتونات الميونية وتضم الميوون (Error no symbol defined) وميوون نيترينو(Error no symbol defined); أما الجيل الثالث فيسمى اللبتونات التاوونية وتضم تاوون (Error no symbol defined) وتاونيترينو(Error no symbol defined). كتلة الإلكترونات هي أقل كتلة في اللبتونات المشحونة. أما الأثقل فهي الميونات (وتسمى أحيانا ميوميزون وكتلتها تصل 200 كتلة إلكترون) . ويسمى التاوون أحيانا "تاوميزون " وهوأثقل من الإلكترون نحو300 مرة. وينتقل التاوون بسرعة إلى إلكترون خلال عملية تحلل جسيم: وهي عملية انتنطق من حالة كتلة أعلى إلى حالة كتلة أدنى، وبالتالي تكون الإلكترونات مستقرة وهي أغلب اللبتونات المشحونة في الفضاء الكوني، في حين يمكن إنتاج الميوون والتاوون فقط عند اصطدام الجسيمات ذات الطاقة العالية (مثل تلك التي تنتج من الأشعة الكونية والاصطدامات التي تُدرس في معجلات الجسيمات).

لدى اللبتونات عدة خصائص جوهرية مثل الشحنة الكهربائية واللف والكتلة. وعلى عكس الكواركات فهي لا تخضع للتفاعل القوي ولكنها تخضع للتفاعلات الأساسية الثلاث الأخرى: الكهرومغناطيسية (ماعدا النيترينوات والتي هي محايدة كهربائيا) والجاذبية والتفاعل الضعيف. لكل نكهة لبتون يقابلها نوع من الجسيمات المضادة تسمى ب نقيض اللبتون وهي تختلف عن اللبتون فقط في أنها مساوية بالحجم ومعاكسة بالشحنة. ومع هذا فإنه وفقا لنظريات معينة قد يحدث للنيوترينوجسيم مضاد خاص به، ولكن حاليا لا يزال غير معروف ماإذا كانت تلك الحالة سليمة أم لا.

ظهر الإلكترون وهوأول اللبتونات المشحونة نظريا في منتصف القرن التاسع عشر عن طريق عدة فهماء حتى اكتشفه العالم طومسون سنة 1897. ثم بدأت الملاحظة باللبتون التالي وهوالميوون، ثم اكتشفه العالم كارل أندرسون سنة 1936، ولكن صنف خطأ على أنه ميزون في ذاك الوقت. ولكن بعد التدقيق استدل على حتى ليس للميوون أي خصائص متسقطة للميزون، ولكن لها تصرفات شبيهة بالإلكترون ولكن بكتلة أكبر. ولم يظهر اقتراح فكرة اللبتون بأنها عائلة جسيمات إلا سنة 1947. أول نيترينووهوالكترون نيترينوفقد اقترحه العالم فولفغانغ باولي سنة 1930 لشرح بعض خصائص تحلل البيتا، حيث تمت ملاحظتها أول مرة في تجربة النيوترينوالتي أجراها العالمان الفيزيائيان كلايد كوان وفريدريك راينس سنة 1956. واكتشف الميوون نيوترينوسنة 1962 كلا من ليون ليدرمان وملفن شفارتز وجاك شتاينبرجر. أما التاوون فقد اكتشفه مارتن بيرل ومساعدوه من مختبر سلاك ومختبر لورنس بيركلي الوطني ما بين سنة 1974 و1977.

تعتبر اللبتونات جزءا أساسيا في نظرية النموذج العياري. فالإلكترونات هي إحدى مكونات الذرات بجانب البروتونات والنيوترونات. أما الذرات الشاذة فيمكن توليفها مع الميوونات والتاوونات بدلا من الإلكترونات، كما هوالحال في جسيمات اللبتون-ونقيض اللبتون مثل بوزيترونيوم. أويمكن تكوين ذرات غريبة مكونة من ميزون (موجب الشحنة) وإلكترون، مثل الميزونيوم.ومن خصائص الميزونيوم حتى له طيف مشابه تماما لطيف الهيدروجين ويمكن تطبيق "معادلة ريدبرج" للطيف عليه.

أصل الحدثة

أتى اسم لبتون من الحدثة اليونانية "λεπτόν" (لبتون) وهوعمل لحدثة "λεπτός" (لبتوس) وتعني "صغير-ناعم-رقيق"، واٌقدم مصدر موثق لشكل الحدثة هي"ري-بو-تو" باليونانية الميسينية مكتوبة بالنص الصوتي المسمى خطي باء، وأول من استخدم تلك الحدثة هوالفيزيائي ليون روزنفيلد سنة 1948:

بناء على اقتراح البروفيسور مولر اتبنى اسم "ليبتون" (من λεπτός: صغيرة- رقيقة-حساسة) -وبوصفه رابط ل"نوكليون"- للدلالة على جسيمات ذات كتلة صغيرة.

وأصل الحدثة لا يعني أبدا حتى جميع اللبتونات لها كتلة صغيرة. فعندما أطلق روزنفيلد عليها هذا الاسم فإنه لم يكن يعهد عن اللبتونات إلا الإلكترون والميوون وهما كانا صغيري الكتلة — كتلة الإلكترون (6999511000000000000♠0.511 )‏، وكتلة الميوون (تقديري 7002105700000000000♠105.7 MeV/c²)‏ هي كسور صغيرة مقارنة لكتلة البروتون "الثقيلة" (7002938300000000000♠938.3 MeV/c²)‏. ولكن عندما ظهر التاوون في منتصف السبعينات فإن كتلته (7003177700000000000♠1777 MeV/c²)‏ هويعني ضعف كتلة البروتون وتقريبا 3500 مرة من الإلكترون.

التاريخ

مسميات اللبتون
اسم الجسيم	اسم ضديد الجسيم
الكترون	ضديد الإلكترون بوزيترون
الكترون نيترينو	الكترون ضديد النيترينو
ميوون ميولبتون ميو	ضديد الميوون ضديد ميولبتون ضديد ميو
ميوون نيترينو ميووني نيترينو ميونيترينو	ضديد ميوون نيترينو ضديد ميووني نيترينو ضديد ميونيترينو
تاوون تاولبتون تاو	ضديد التاوون ضديد التاوولبتون ضديد تاو
تاوون نيترينو تاوني نيترينو تاونيترينو	تاوضديد نيترينو تاوني ضديد نيترينو تاوضديد نيترينو

أول ليبتون تم التعهد عليه كان الإلكترون، والذي اكتشفه طومسون وفريقه من الفيزيائيين البريطانيين سنة 1897. ثم وفي سنة 1930 افترض فولفغانغ باولي الالكترون نيترينوليحافظ على قوانين بقاء الطاقة وزخم الحركة، والزخم الزاوي في إضمحلال بيتا. وتفرض نظرية باولي بأن الجسيم الذي لم يتم اكتشافه بعد يحمل معه الفرق بين الطاقة والزخم والزخم الزاوي للملاحظات الأولية والنهائية المرصودة للجسيمات. فقد سمي "نيوترينوالإلكترون" فقط "نيوترينو" للتبسيط، كما أنه لم يتم التعهد بأن النيترينوات لها أنواع مختلفة تأني من نكهات مختلفة (أوتفاعلات جسيمات مختلفة).

بعد 40 عاما من اكتشاف الإلكترون اكتشف كارل أندرسون الميوون سنة 1936. نظرا لكتلته فقد صنف في البداية على أنه ميزون بدلا من لبتون. ثم بدا واضحا بعد ذلك حتى الميوون كان أكثر شبها للإلكترون من ميزون حيث حتى الميونات لا تخضع للتفاعل القوي ومن ثم فقد أعيد تصنيفها: فتم تجميع الإلكترونات والميونات و(الإلكترون) نيترينوفي مجموعة جسيمات جديدة وسميت اللبتونات. وفي سنة 1962 م أظهر كلا من ليون ليدرمان وملفن شفارتز وجاك شتاينبرجر حتى هناك أكثر من نوع للنيوترينوموجود عن طريق كشف لتفاعل ميوون نيترينووالتي حصلوا بموجبها على جائزة نوبل 1988، فمنذ ذلك الحين ظهرت افتراضات مختلفة لعدة نكهات من النيترينو.

أما التاوون فقد كشف عنه مارتن بيرل ومساعديه في مختبر سلاك ومختبر لورنس بيركلي الوطني بعد سلسلة تجارب امتدت ما بين سنة 1974 و1977. كما هوالحال في الإلكترون والميون فقد كان متسقطا حتىقد يكون معه نيوترينومرتبطا به. فاتى أول مرشد للتاوون نيترينومن مراقبة طاقة وزخم "مفقودين" في اضمحلال تاو، فمطابقة للطاقة والزخم "المفقودين" في إضمحلال بيتا أدى إلى اكتشاف الكترون نيترينو. وفي سنة 2000 أعرب عن أول اكتشاف لتفاعلات تاوون نيترينوبمعمل دونوت في فيرميلاب مما يجعله أحدث جسيم تم رصده مباشرة في النموذج القياسي.

بالرغم من حتى جميع البيانات الحالية متناسقة على ثلاثة أجيال للبتونات، إلا حتى بعض فهماء الجسيمات يبحثون عن جيل رابع. فالحد الأدنى الحالي لكتلة اللبتون الرابع المشحون هو7002100800000000000♠100.8 ‏، بينما كتلة النيترينوالمرتبط به لا تقل عن 7001450000000000000♠45.0 ‏.

الخصائص

اللف واللاتناظرية

حلزونية لليمين وأخرى لليسار.

اللف المغزلي لجسيمات البتونات هو¹⁄₂. ومن ثم فنظرية احصاء اللف تعني أنهم فرميونات وبالتالي تخضع لمبدأ استبعاد باولي: لا يمكن للبتونين اثنين من نفس النوع حتىقد يكونا في نفس الحالة تماما وفي نفس الوقت. وعلاوة، فإن هذا يعني حتى اللبتون يمكن حتىقد يكون في حالتي لف وهما إلى الأعلى أوالأسفل.

خاصية لاتناظرية هي خاصية وثيقة الصلة هنا، وهي بدورها مرتبطة ارتباطا وثيقا بخاصية بادية للعيان بسهولة وهي الحلزونية. فحلزونية الجسيمات هواتجاه لفها بالنسبة إلى زخمها: فالجسيمات التي تلف بنفس اتجاه زخمها تسمى اليمنى، والعكس سليم مع الإتجاه الآخر حيث تسمى اليسرى. وعندماقد يكون الجسيم عديم الكتلة، فإن اتجاه الزخم المتصل بلفها هوحالة مستقلة، بينما الجسيمات الضخمة يمكنها حتى تتجاوز الجسيمات حسب تحويلات لورنتز فتنقلب الحلزونية. فاللاتناظرية هي خاصية تقنية (التي تعهد من خلال سلوك التحول ضمن مجموعة بوانكاريه) تتفق مع الحلزونية (تقريبا) في الجسيمات عديمة الكتلة، ولا تزال واضحة المعالم عند الجزيئات الضخمة.

هناك الكثير من نظريات الحقل الكمومي مثل كهروديناميكا كمية وديناميكا لونية كمية تكون فيها الفرميونات اليسرى واليمنى متطابقة. لكن في النموذج القياسي فإن الفرميونات اليمنى واليسرى تعامل على أنها غير متماثلة. فالفرميونات اليسرى تساهم في القوة النووية الضعيفة، في حين لا توجد نيترينوات يمنى. وهذا مثال على انتهاك التكافؤ. كثيرا ما يرمز مجالات اليسرى بالحرف اللاتيني "L" (مثال على ذلك Error no symbol defined _L) بينما يرمز المجال الأيمن بالحرف "R".

التفاعل الكهرومغناطيسي

تفاعل لبتون-فوتون

أحد أبرز خصائص اللبتونات هي شحنتها الكهربائية، ورمزها Q. وتحدد تلك الشحنة قوة تفاعلاتها الكهرومغناطيسية. وهي تحدد قوة المجال الكهربائي التي يولدها الجسيم (انظر قانون كولوم) وقوة تأثر الجسيمات للحقل مغناطيسي أوالكهربائي الخارجي (انظر قانون لورنتز). ويحتوي جميع جيل على لبتون شحنته Q‏ =‏ ‏-1 (يعبر عن شحنة الجسيم بوحدة شحنة أولية) ولبتون شحنته =‏ صفر. ويشار عموما إلى اللبتون المشحون كهربائيا ب "لبتون موجب الشحنة" بينما يسمى اللبتون المحايد بالنيترينو. عملى سبيل المثال يتكون الجيل الأول من الكترون Error no symbol defined سالب الشحنة والكترون نيترينوError no symbol defined محايد كهربائيا.

يعبر عن التفاعل الكهرومغناطيسي لللبتونات المشحونة في لغة نظرية المجال الكمي بحقيقة حتى الجسيمات تتفاعل مع كم المجال الكهرومغناطيسي وهوالفوتون. ويظهر مخطط فاينمان للتفاعل إلكترون-فوتون على اليسار.

بما حتى اللبتونات لها دوران عملي تتشكل حسب اللف، فإن اللبتونات المشحونة تولد حقلا مغناطيسيا. وتحدد قيمة حجم عزمها المغناطيسي ثنائي القطب μ بالتالي:

'"`UNIQ--postMath-00000001-QINU`"'

حيث m هي كتلة اللبتون وg هومايسمى ب معامل جي للبتون. تنبأ أول تقريب لميكانيكا الكم حتى عامل جي هو2 لكل اللبتونات. لكن في المستويات الأعلىقد يكون تأثير الكم ناتجا من حلقات موجودة في مخطط فايمان تدخل التسليمات على تلك القيمة. وتلك التسليمات التي تعهد بالعزم المغناطيسي ثنائي القطب الشاذ هي حساسة للغاية لتفاصيل نموذج نظرية الحقل الكمي وبالتالي تعطي الفرصة في إجراء فحوص دقيقة للنموذج القياسي. تتفق القيم النظرية والمحسوبة للعزم المغناطيسي ثنائي القطب الشاذ للإلكترون مع ما يصل إلى ثمانية ارقام كبيرة.

قوة نووية ضعيفة




التآثرات الضعيفة في لبتونات الجيل الأول.

تنتظم اللبتونات اليسرى المشحونة وكذلك النيترونات اليسرى في النموذج القياسي في خط ثنائي (Error no symbol defined_L, Error no symbol defined_L) بحيث تتحول إلى سبينور متمثلة في (T‏ = ‏¹⁄₂) مقياس التماثل (2)SU للف النظائري الضعيف. وهذا يعني ان الجسيمات هي في الحالة الذاتية لإسقاط اللف النظائري T₃ بقيمة ذاتية ¹⁄₂ و−¹⁄₂ بالتسلسل. وخلال ذلك فإن اللبتونات اليمني المشحونة تتحول إلى عدد نظائري ضعيف (T‏ = ‏0) لذا فإنها لا تشارك في التفاعل الضعيف في حين أنه لا يوجد نيترينويمين على الإطلاق.

تعيد آلية هيغز تجميع الحقول القياسية لتماثلات كلا من اللف النظائري (2)SU وفرط الشحنة الضعيفين (2)U إلى ثلاثة بوزونات ناقلة ضخمة (Error no symbol defined، Error no symbol defined، Error no symbol defined) متوسطة بين التفاعل الضعيف وبوزون ناقل عديمة الكتلة (الفوتون) المسؤول عن التفاعل الكهرومغناطيسي. ويمكن حساب الشحنة الكهربائية Q من إسقاط اللف النظائري T₃ وفرط الشحنة الضعيف Y_W خلال صيغة جيل مان-نشيجيما،:Q = T₃ + Y_W/2 لاستعادة الشحنة الكهربائية المرصودة لجميع الجسيمات يجب حتىقد يكون الخط الثنائي للف النظائري الضعيف الأيسر (Error no symbol defined_L، Error no symbol defined_L) لديه Y_W = −1، في حين حتى اللف النظائري الأيمن العددي −Re يجب حتىقد يكون Y_W = −2. ويظهر تفاعل اللبتونات مع بوزونات ناقلة ذات تفاعل ضعيف جدا في الصورة على اليمين.

الكتلة

يبدأ جميع لبتون في النموذج القياسي بلا كتلة سليمة. أما اللبتونات المشحونة (مثل الإلكترون والميون وتاو) فإنها تنال كتلتها خلال التفاعل مع مجال هيغز، ولكن تظل النيوترينوات عديمة الكتلة. لأسباب فنية فإن انعدام كتلة النيوترينوات يعني أنه لا يوجد خلط بين مختلف أجيال اللبتونات المشحونة كما هوفي الكواركات. ويتفق ذلك كثيرا مع الملاحظات التجريبية الحالية.

ومن المعروف أنه من التجارب - وأبرزها تذبذب النيوترينوات المرصودة - حتى النيوترينوات في الواقع لها كتلة صغيرة جدا أي أقل من 7000200000000000000♠2 ‏. وهذا يعني حتى هناك فيزياء فيزياء ما وراء النموذج العياري. وحاليا الامتداد الأكثر تفضيلا هوما يسمى آلية التأرجح التي من شأنها حتى تفسر لما النيوترينوات اليسرى خفيفة جدا مقارنة مع مطابقتها من اللبتونات المشحونة، ولماذا لم نر حتى الآن نيوترينوات يمنى؟

أرقام لبتونية

يحدد لكل أعضاء الخط الثنائي من اللف النظائري الضعيف للجيل رقم لبتوني والذي يحفظه النموذج العياري. فالإلكترونات والإلكترون نيترينواتقد يكون لها رقم إلكتروني L_e = 1، في حين لدى الميوون وميوون نيترينورقم ميوني L_μ = 1، وجسيمات تاوون وتاوون نيترينولديها رقم تاووني L_τ = 1. ولأضداد اللبتونات رقم لبتوني مختص هو-1.

حفظ الأرقام اللبتونية يعني حتى عدد اللبتونات من ذات النوع لا يتغير عند تفاعل الجسيمات. مما يعني حتى نشأة اللبتونات وأضدادها يجب حتىقد يكون في أزواج في الجيل الواحد. على سبيل المثال، تحدث العمليات التالية في إطار المحافظة على الأرقام اللبتونية:

Error no link defined + Error no link defined → Error no link defined + Error no link defined,

ولكن ليست تلك:

Error no link defined + ‏Error no link defined‏ →‏ Error no link defined

Error no link defined → Error no link defined + Error no link defined,

Error no link defined‏ + Error no link defined‏ → ‏Error no link defined.

جدول اللبتونات

خصائص اللبتونات
اسم الجسيم/ضديد الجسيم	الرمز	Q - e	S	L_e	L_μ	L_τ	كتلة (MeV/c²)	العمر (ث)	التحلل العام
الكترون / ضديد الإلكترون	Error no link defined/Error no link defined	−1/+1	¹⁄₂	+1/−1	0	0	6999510998910000000♠0.510998910(13)	مستقر	مستقر
ميوون / ضديد الميوون	Error no link defined/Error no link defined	−1/+1	¹⁄₂	0	+1/−1	0	7002105658366800000♠105.6583668(38)	6994219701899999999♠2.197019(21)×10⁻⁶	Error no link defined + Error no link defined + Error no link defined
تاوون / ضديد التاوون	Error no link defined/Error no link defined	−1/+1	¹⁄₂	0	0	+1/−1	7003177684000000000♠1776.84(17)	6987290600000000000♠2.906(10)×10⁻¹³	See Error no symbol defined decay modes
الكترون نيترينو/ ضديد الكترون النيترينو	Error no link defined/Error no link defined	0	¹⁄₂	+1/−1	0	0	<6994220000000000000♠0.0000022	غير معروف
ميوون نيترينو/ ضديد ميوون نيترينو	Error no link defined/Error no link defined	0	¹⁄₂	0	+1/−1	0	<0.17	غير معروف
تاوون نيترينو/ ضديد تاوون نيترينو	Error no link defined/Error no link defined	0	¹⁄₂	0	0	+1/−1	<15.5	غير معروف

انظر أيضا

ميونيوم
هدرونات
قائمة الجسيمات
نظرية النموذج العياري
كوارك
غلوون

مصادر

^ نطقب:استشهاد ويب
^ نطقب:استشهاد ويب
^ نطقب:استشهاد بدورية محكمة
^ Empty citation (help)
^ Empty citation (help)
^ نطقب:استشهاد بدورية محكمة
^ نطقب:استشهاد بدورية محكمة
^ نطقب:استشهاد بدورية محكمة
^ نطقب:استشهاد بدورية محكمة
^ نطقب:استشهاد بدورية محكمة
^ نطقب:استشهاد بدورية محكمة
^ λεπτός, Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, on Perseus Digital Library Archived 30 November 2016^{[Date mismatch]} at the Wayback Machine.
^ Palaeolexicon, Word study tool of ancient languages Archivedثمانية October 2017^{[Date mismatch]} at the Wayback Machine.
^ L. Rosenfeld (1948)
^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – Error no symbol defined Archived 11 February 2017^{[Date mismatch]} at the Wayback Machine.
^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – Error no symbol defined Archived 30 January 2017^{[Date mismatch]} at the Wayback Machine.
^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – Error no symbol defined Archived 30 January 2017^{[Date mismatch]} at the Wayback Machine.
^ C. Amsler et al. (2008): Particle listings – Error no symbol defined Archived 26 January 2017^{[Date mismatch]} at the Wayback Machine.
^ S. Weinberg (2003)
^ R. Wilson (1997)
^ K. Riesselmann (2007)
^ S.H. Neddermeyer, C.D. Anderson (1937)
^ I.V. Anicin (2005)
^ M.L. Perl et al. (1975)
^ K. Kodama (2001)
^ C. Amsler et al. (2008) Heavy Charged Leptons Searches Archived 30 January 2017^{[Date mismatch]} at the Wayback Machine.
^ C. Amsler et al. (2008) Searches for Heavy Neutral Leptons Archived أربعة March 2016^{[Date mismatch]} at the Wayback Machine.
^ M.E. Peskin, D.V. Schroeder (1995), p. 197
^ M.E. Peskin, D.V. Schroeder (1995), p. 27
^ Y. Fukuda et al. (1998)
^ C.Amsler et al. (2008): Particle listings – Neutrino properties Archived 26 January 2017^{[Date mismatch]} at the Wayback Machine.
^ B.R. Martin, G. Shaw (1992)
^ J. Peltoniemi, J. Sarkamo (2005)