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詞源學

英文術語“l(fā)epton”源自希臘語“ λεπτ?ν ”（ leptón ），是“ λεπτ?? ”（ leptós ）的中性，含意為"小、薄"。 里昂·洛森斐（Léon Rosenfeld）于1948年最先為英文術語“l(fā)epton”命名。

這命名不正確地假定所有輕子的質(zhì)量都很小。在洛森斐命名那時，學術界只知道有電子與μ子兩種輕子。它們的質(zhì)量的確很小，電子的質(zhì)量為 0.511MeV ， μ子的質(zhì)量為 105.7 MeV ， 比質(zhì)子的質(zhì)量 938.3 MeV 輕很多 ?？墒?，在1970年代中期發(fā)現(xiàn)的τ子，它的質(zhì)量是 1,777 MeV ，幾乎是質(zhì)子的兩倍。

歷史

馬丁·佩爾與他的實驗團隊發(fā)現(xiàn)τ子。

最先被辨識的輕子是電子，英國物理學者約瑟夫·湯姆孫與實驗團隊于1897年發(fā)現(xiàn)電子。 1930年，沃爾夫?qū)づ堇竽懠僭O電中微子存在，這是為了解釋β衰變的能量缺失問題，挽救能量守恒定律；泡利認為，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。 三年后，恩里科·費米給出理論，成功描述β衰變，強力支持泡利的假設。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(fā)現(xiàn)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 （ 英語 ： Cowan–Reines neutrino experiment ） 首先直接觀察到中微子的存在。

在電子被發(fā)現(xiàn)大約40年之后，卡爾·安德森于1936年發(fā)現(xiàn)了μ子。由于它的質(zhì)量，μ子最初被歸類為介子，而不是輕子。 漸漸地，學者發(fā)覺μ子的性質(zhì)更接近電子，只是質(zhì)量比較大，而且μ子不會感受到強相對作用，不具有介子的性質(zhì)。1947年，才有學者開始提議一群粒子被歸類為輕子的概念。 后來，μ子被重新歸類，μ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·施瓦茨與杰克·施泰因貝格爾做實驗直接探測到μ中微子，證實不只一種中微子存在。

馬丁·佩爾與他的實驗團隊于1975年完成實驗首先探測到τ子。 如同電子與μ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τ中微子實驗（Direct Observation of the NU Tau，DONUT ）團隊于2000年探測到τ中微子參與作用的證據(jù)。

雖然現(xiàn)有數(shù)據(jù)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(zhì)量下限為 100.8GeV ， 伴隨它的中微子最少應該帶有質(zhì)量 45.0GeV 。

性質(zhì)

自旋與手征性

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 ? 2 粒子，只能處于兩種自旋態(tài)：上旋或下旋。自旋統(tǒng)計定理將它們按照自旋歸類為費米子，遵守泡利不相容原理，因此任何兩個全同的輕子不能同時占有相同的量子態(tài)。

手征性與螺旋性（helicity）是與自旋緊密相關的兩種性質(zhì)，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。對于不帶質(zhì)量粒子，這相對方向與參考系無關，可是，對于帶質(zhì)量粒子，由于可以借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。手征性是通過龐加萊群（Poincaré group）的變換來定義的性質(zhì)。對于不帶質(zhì)量粒子，手征性與螺旋性一致；對于帶質(zhì)量粒子，手征性與螺旋性有別。

在很多量子場論里，例如量子電動力學與量子色動力學，并沒有對左手與右手費米子作任何區(qū)分，可是，在標準模型的弱相互作用理論里，按照手征性區(qū)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。

電磁相互作用

輕子-光子相互作用。

輕子的電荷 Q {\displaystyle Q} 決定了它所產(chǎn)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 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。

由于輕子具有自旋，帶電輕子會產(chǎn)生磁場，磁偶極矩 μ μ --> {\displaystyle \mu } 為

其中， m {\displaystyle m} 是輕子的質(zhì)量， g {\displaystyle g} 是輕子的g-因數(shù)（g-factor）。

一階近似量子力學預測，對于所有輕子，g-因數(shù)為2；可是高階量子效應，因為費曼圖里的虛粒子圈對于這數(shù)字給出修正。這些修正，稱為反常磁偶極矩（anomalous magnetic dipole moment），對于量子場論模型的細節(jié)非常敏感，因此是準確檢驗標準模型的好機會。對于電子測量其反常磁偶極矩所得到的實驗數(shù)值符合理論結(jié)果至8個有效數(shù)字。

弱相互作用

在標準模型里，輕子可以按照手征性分為左手輕子與右手輕子；左手輕子的弱同位旋T為 ? 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）T 3 分別為- ? 2 、+ ? 2 ，弱相互作用是由它們組成二重態(tài)（doublet state） ( ν e L , e ? L ) 共同實現(xiàn)；右手帶電輕子的弱同位旋T為0，形成單態(tài)，不參與弱相互作用；右手中微子并不存在。

希格斯機制將弱同位旋SU(2)與弱超荷U(1)對稱的四個規(guī)范場，重新組合成傳遞弱相對作用的三個帶質(zhì)量玻色子 （ W + 、 W ? 、 Z 0 ）與傳遞電磁相對作用的不帶質(zhì)量玻色子（光子）。通過蓋爾曼-西島方程，可以從弱同位旋投影 T 3 與弱超荷 Y W 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(tài) ( ν e L , e ? L ) 的弱超荷 Y W 必須為-1，而右手弱同位旋單態(tài) ( e ? R ) }的弱超荷 Y W 必須為-2。

質(zhì)量

在標準模型里，每一個輕子原本不具有內(nèi)秉質(zhì)量；通過與希格斯場耦合，帶電輕子獲得有效質(zhì)量，但中微子仍舊不帶質(zhì)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(jié)果符合當今實驗數(shù)據(jù)。

但是，從實驗中得知（最顯著的是中微子振蕩實驗）， 中微子實際帶有微小質(zhì)量，大約小于 2eV 。 這意味著后標準模型（beyond the Standard Model）的物理現(xiàn)象。當今最被物理學者青睞的理論延伸是翹翹板機制，它可以解釋為什么左手中微子的質(zhì)量遠輕于對應的帶電輕子，為什么做實驗尚未能觀察到任何右手中微子。

輕子數(shù)

每一代輕子的成員組成一個弱同位旋二重態(tài)：

每一代弱同位旋二重態(tài)的成員都被分派一個輕子數(shù)。在標準模型里，輕子數(shù)守恒。 電子與電中微子的電子數(shù)L e 為1。μ子與μ中微子的μ子數(shù)L μ 為1。τ子與τ中微子的τ子數(shù)L τ 為1。 反輕子的輕子數(shù)為對應輕子的輕子數(shù)乘以?1。

輕子數(shù)守恒的意思就是同類氫子數(shù)的代數(shù)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(chǎn)生。例如，以下過程是被允許的：

以下過程是不被允許的：

但是，中微子振蕩違反單獨輕子數(shù)守恒，這是后標準模型物理的確鑿證據(jù)。更強的守恒定律是總輕子數(shù)守恒。中微子振蕩遵守總輕子數(shù)守恒。但是， 手征反常 （ 英語 ： chiral anomaly ） 稍微違反了這守恒定律。

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，對于電子與電中微子之間的相互作用、μ子與μ中微子之間的相互作用、τ子與τ中微子之間的相互作用，假若將質(zhì)量差別納入考量，則這三種相互作用的效應相等。這性質(zhì)稱為輕子相互作用的“普適性”。所有已知實驗數(shù)據(jù)與這種普適性一致 做實驗測量τ子與μ子的平均壽命，或Z玻色子衰變?yōu)檩p子的部分衰變寬度，可以檢驗這性質(zhì)。在大型正負電子對撞機與史丹福直線加速器里，完成了很多這類檢驗普適性的實驗。

對于過程μ ?→e ?+ν e+ν μ，μ子的衰變率 Γ Γ --> {\displaystyle \Gamma } 以方程表示為（更詳盡內(nèi)容，請參閱μ子衰變）

其中， K 1 {\displaystyle K_{1}} 是常數(shù)， G F {\displaystyle G_{F}} 是費米耦合常數(shù)， m μ μ --> {\displaystyle m_{\mu }} 是μ子的質(zhì)量。

對于過程τ ?→e ?+ν e+ν τ，τ子的衰變率 Γ Γ --> {\displaystyle \Gamma } 以同樣形式的方程表示為

其中， K 2 {\displaystyle K_{2}} 是常數(shù)， m τ τ --> {\displaystyle m_{\tau }} 是τ子的質(zhì)量。

μ子-τ子普適性意味著 K 1 = K 2 {\displaystyle K_{1}=K_{2}} 。普適性也能夠解釋μ子壽命與τ子壽命之間的關系。輕子的壽命 L l {\displaystyle L_{l}} 與衰變率 Γ Γ --> {\displaystyle \Gamma } 之間的關系為

其中， B ( x → → --> y ) {\displaystyle B(x\rightarrow y)} 與 Γ Γ --> ( x → → --> y ) {\displaystyle \Gamma (x\rightarrow y)} 分別標記過程 x → → --> y {\displaystyle x\rightarr共振 y} 的分支比與共振寬度。

τ子與μ子的壽命比因此為

從實驗獲得的μ子分支比與τ子分支比，可以計算出壽命比為大約 1.328 × 10 ，實驗測量得到的壽命比為 ~ 1.323 × 10 。兩者之差異是因為 K 1 {\displaystyle K_{1}} 、 K 2 {\displaystyle K_{2}} 實際并不是常數(shù)，它們與輕子的質(zhì)量有關。

另外，由于電子-μ子普適性，τ子衰變?yōu)殡娮拥姆种П?17.85%) 與衰變?yōu)棣套拥姆种П?(17.36%) 相同（在誤差范圍內(nèi)）：

輕子列表

參閱

粒子列表

夸克

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