ليبتون

في فيزياء الجسيمات ، الليبتون هو جسيم أولي ذو لف مغزلي نصف صحيح ( لف مغزلي 1/2 ) لا يخضع للتفاعلات القوية . ^{[ 1 ]} يوجد نوعان رئيسيان من الليبتونات: الليبتونات المشحونة ( المعروفة أيضًا بالليبتونات الشبيهة بالإلكترون أو الميونات)، وتشمل الإلكترون والميون والتاوون ، والليبتونات المتعادلة ، والمعروفة باسم النيوترينوات . يمكن لليبتونات المشحونة أن تتحد مع جسيمات أخرى لتكوين جسيمات مركبة متنوعة مثل الذرات والبوزيترونيوم ، بينما نادرًا ما تتفاعل النيوترينوات مع أي شيء، وبالتالي نادرًا ما تُرصد. يُعد الإلكترون أشهر الليبتونات على الإطلاق .

توجد ستة أنواع من اللبتونات، تُعرف باسم النكهات ، مُصنفة في ثلاثة أجيال . ^{[ 2 ]} تتكون لبتونات الجيل الأول، والتي تُسمى أيضًا اللبتونات الإلكترونية ، ^من الإلكترون ( e−) والنيوترينو الإلكتروني ( ν_هـ )؛ أما الثانية فهياللبتونات الميونية، التي تشملالميون(μ ⁻) ونيوترينو الميون ( ν_μ )؛ والثالثة هياللبتونات التاوونية، التي تشملتاو(τ ⁻) ونيوترينو تاو ( ν_τ ). الإلكترونات هي الأقل كتلة بين جميع اللبتونات المشحونة. تتحول الميونات والتاوات الأثقل بسرعة إلى إلكترونات ونيوترينوات من خلال عمليةاضمحلال الجسيمات: وهي التحول من حالة كتلة أعلى إلى حالة كتلة أقل. لذا، فإن الإلكترونات مستقرة وهي أكثر اللبتونات المشحونة شيوعًا فيالكون، بينما لا يمكن إنتاج الميونات والتاوات إلا فيعالية الطاقة(مثل تلك التي تشملالأشعة الكونيةوتلك التي تُجرى فيمسرعات الجسيمات).

تمتلك الليبتونات خصائص جوهرية متنوعة ، بما في ذلك الشحنة الكهربائية واللف المغزلي والكتلة . وعلى عكس الكواركات ، لا تخضع الليبتونات للتفاعل القوي ، ولكنها تخضع للتفاعلات الأساسية الثلاثة الأخرى : الجاذبية ، والتفاعل الضعيف ، والكهرومغناطيسية ، التي تتناسب طرديًا مع الشحنة، وبالتالي تكون معدومة بالنسبة للنيوترينوات المتعادلة كهربائيًا.

لكل نوع من أنواع الليبتونات جسيم مضاد ، يُعرف باسم الليبتون المضاد، والذي يختلف عن الليبتون فقط في أن بعض خصائصه لها نفس المقدار ولكن بإشارة معاكسة . ووفقًا لبعض النظريات، قد تكون النيوترينوات جسيماتها المضادة . ولا يُعرف حاليًا ما إذا كان هذا هو الحال.

تم وضع نظرية أول ليبتون مشحون، وهو الإلكترون، في منتصف القرن التاسع عشر من قبل عدد من العلماء ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} ، واكتُشف عام 1897 على يد جيه جيه طومسون . ^{[ 6 ]} وكان الليبتون التالي الذي رُصد هو الميون ، الذي اكتشفه كارل دي أندرسون عام 1936، والذي صُنِّف آنذاك على أنه ميزون . ^{[ 7 ]} وبعد البحث، تبيّن أن الميون لا يمتلك الخصائص المتوقعة للميزون، بل يتصرف كالإلكترون، ولكن بكتلة أكبر. ولم يُطرح مفهوم "اللبتونات" كمجموعة من الجسيمات إلا عام 1947. ^{[ 8 ]} أما أول نيوترينو، وهو نيوترينو الإلكترون، فقد اقترحه فولفغانغ باولي عام 1930 لتفسير بعض خصائص تحلل بيتا . ^{[ ٨ ]} رُصد لأول مرة في تجربة كوان-راينز للنيوترينو التي أجراها كلايد كوان وفريدريك راينز عام ١٩٥٦. ^{[ ٨ ] [ ٩ ]} اكتُشف نيوترينو الميون عام ١٩٦٢ على يد ليون إم. ليدرمان ، وميلفين شوارتز ، وجاك شتاينبرغر ، ^{[ ١٠ ]} واكتُشف نيوترينو تاو بين عامي ١٩٧٤ و١٩٧٧ على يد مارتن لويس بيرل وزملائه من مركز ستانفورد للمسرع الخطي ومختبر لورانس بيركلي الوطني . ^{[ ١١ ]} ظل نيوترينو تاو عصيًا على الاكتشاف حتى يوليو ٢٠٠٠، عندما أعلن فريق DONUT من مختبر فيرمي عن اكتشافه. ^{[ ١٢ ] [ ١٣ ]}

تُعدّ الليبتونات جزءًا مهمًا من النموذج القياسي . الإلكترونات هي أحد مكونات الذرات ، إلى جانب البروتونات والنيوترونات . كما يمكن تصنيع ذرات غريبة تحتوي على الميونات والتاو بدلًا من الإلكترونات، بالإضافة إلى جسيمات الليبتون-مضاد الليبتون مثل البوزيترونيوم .

يُشتق اسم اللبتون من الكلمة اليونانية λεπτός leptós ، وتعني "دقيق، صغير، رقيق" ( صيغة المفرد المحايد في حالتي الرفع والنصب: λεπτόν leptón )؛ ^{[ 14 ] [ 15 ]} وأقدم شكل موثق للكلمة هو اليونانية الميسينية μον μον ، re-po-to ، المكتوبة بالخط المقطعي الخطي ب . ^{[ 16 ]} وقد استخدم الفيزيائي ليون روزنفيلد مصطلح اللبتون لأول مرة عام 1948: ^{[ 17 ]}

بناءً على اقتراح من البروفيسور سي. مولر ، أعتمد - كمكمل لـ "النيوكليون" - تسمية "اللبتون" (من λεπτός، صغير، رقيق، دقيق) للدلالة على جسيم ذي كتلة صغيرة.

اختار روزنفيلد هذا الاسم كاسم شائع للإلكترونات والنيوترينوات (التي كانت تُفترض آنذاك). بالإضافة إلى ذلك، أُعيد تصنيف الميون، الذي صُنِّف في البداية على أنه ميزون، على أنه ليبتون في الخمسينيات من القرن العشرين. كتل هذه الجسيمات صغيرة مقارنة بالنيوكليونات - كتلة الإلكترون (0.511 ميغا إلكترون ^فولت / ثانية²  ) ^{[ 18 ]} وكتلة الميون (بقيمة105.7 ميغا إلكترون ^فولت  / ثانية² ) ^{[ 19 ]} هي أجزاء من كتلة البروتون "الثقيل" (تبلغ طاقة النيوترينو 938.3 ميغا إلكترون ^فولت  / ثانية² ، وكتلة النيوترينو تكاد تكون معدومة. ^{[ 20 ]} ومع ذلك، فإن كتلة التاو (الذي اكتُشف في منتصف سبعينيات القرن العشرين) (تبلغ طاقة البروتون 1777  ميغا إلكترون فولت ^/ ثانية² [ ^{21 ] ،} أي ما يقارب ضعف طاقة البروتون و3477 ^{‍ [22 ]} مرة من الإلكترون.

كان الإلكترون أول جسيم ليبتون تم اكتشافه، وذلك على يد جيه جيه طومسون وفريقه من الفيزيائيين البريطانيين عام 1897. ^{[ 23 ] [ 24 ]} ثم في عام 1930، افترض فولفغانغ باولي أن نيوترينو الإلكترون يحافظ على قوانين حفظ الطاقة والزخم والزخم الزاوي في تحلل بيتا . ^{[ 25 ]} افترض باولي أن جسيمًا غير مكتشف يحمل معه الفرق بين طاقة وزخم وزخم الجسيمات الأولية والجسيمات النهائية المرصودة . أُطلق على نيوترينو الإلكترون ببساطة اسم النيوترينو، إذ لم يكن معروفًا آنذاك أن النيوترينوات تأتي بأنواع مختلفة (أو "أجيال" مختلفة).

بعد ما يقرب من أربعين عامًا من اكتشاف الإلكترون، اكتشف كارل د. أندرسون الميون عام 1936. ونظرًا لكتلته، صُنِّف في البداية ضمن فئة الميزونات بدلًا من الليبتونات. ^{[ 7 ]} لاحقًا، اتضح أن الميون أقرب إلى الإلكترون منه إلى الميزونات، إذ لا يخضع الميون للتفاعل القوي ، ولذا أُعيد تصنيفه: جُمعت الإلكترونات والميونات والنيوترينو (الإلكتروني) في مجموعة جديدة من الجسيمات هي الليبتونات. في عام 1962، أثبت ليون م. ليدرمان ، وميلفين شوارتز ، وجاك شتاينبرغر وجود أكثر من نوع واحد من النيوترينو، وذلك من خلال رصد تفاعلات نيوترينو الميون ، وهو ما أكسبهم جائزة نوبل عام 1988 ، على الرغم من أن النظريات حول أنواع النيوترينو المختلفة كانت قد طُرحت بالفعل آنذاك. ^{[ 26 ]}

تم رصد جسيم تاو لأول مرة في سلسلة من التجارب بين عامي 1974 و1977 على يد مارتن لويس بيرل وزملائه في مجموعة SLAC LBL . ^{[ 11 ]} ومثل الإلكترون والميون، كان من المتوقع أن يكون له نيوترينو مصاحب. جاء الدليل الأول على وجود نيوترينوات تاو من ملاحظة الطاقة والزخم "المفقودين" في اضمحلال تاو، على غرار الطاقة والزخم "المفقودين" في اضمحلال بيتا الذي أدى إلى اكتشاف نيوترينو الإلكترون. أُعلن عن أول رصد لتفاعلات نيوترينو تاو في عام 2000 من قبل تعاون DONUT في مختبر فيرميلاب ، مما جعله ثاني أحدث جسيم من النموذج القياسي يتم رصده مباشرة، ^{[ 13 ]} بعد اكتشاف بوزون هيغز في عام 2012.

على الرغم من أن جميع البيانات الحالية تتفق مع ثلاثة أجيال من اللبتونات، إلا أن بعض علماء فيزياء الجسيمات يبحثون عن جيل رابع. الحد الأدنى الحالي لكتلة هذا الليبتون المشحون الرابع هو100.8 جيجا إلكترون فولت/ ثانية ^مربعة  ، ^{[ 27 ]} بينما ستكون كتلة النيوترينو المرتبط به على الأقل45.0 جيجا إلكترون فولت/ ج ²  . ^{[ 28 ]}

إن اقتران اللبتونات بجميع أنواع بوزونات القياس مستقل عن النكهة: فالتفاعل بين اللبتونات وبوزون القياس يكون متماثلاً لكل ليبتون. ^{[ 33 ]} تُسمى هذه الخاصية عمومية اللبتونات ، وقد تم اختبارها في قياسات أعمار الميونات والتاو ، وعرض الاضمحلال الجزئي لبوزون Z ، لا سيما في تجارب مصادم ستانفورد الخطي (SLC) ومصادم الإلكترون-بوزيترون الكبير (LEP). ^{[ 34 ] : 241-243 [ 35 ] : 138}

معدل التحلل (${\displaystyle \Gamma }$) من الميونات من خلال عملية μ ⁻→ e ⁻+ ν_e +ν_{يتم إعطاء μ} تقريبًا من خلال تعبير على شكل (انظراضمحلال الميونلمزيد من التفاصيل)^[33]

${\displaystyle \Gamma \left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)\approx K_{2}\,G_{\text{F}}^{2}\,m_{\mu }^{5}~,}$

حيث K ₂ ثابت ما، و G _F ثابت اقتران فيرمي . معدل اضمحلال جسيمات تاو من خلال العملية τ ⁻→ e ⁻+ ν_e +ν_{يتم إعطاء τ} من خلال تعبير من نفس الشكل^[33]

${\displaystyle \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)\approx K_{3}\,G_{\text{F}}^{2}\,m_{\tau }^{5}~,}$

حيث K3 ثابت آخر. تعني عالمية تفاعل الميون-التاوون أن _K2 ≈ K3 . من ناحية أخرى، تعني عالمية تفاعل الإلكترون _{- الميون} ^{[ 33 ]}

${\displaystyle 0.9726\times \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)=\Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow \mu ^{-}+{\bar {\nu _{\mu }}}+\nu _{\tau }\يمين)~.}$

لا تتساوى نسب التفرع للنمط الإلكتروني (17.82%) والنمط الميوني (17.39%) لتحلل جسيم تاو بسبب اختلاف كتلة الليبتونات في الحالة النهائية. ^{[ 21 ]}

كما أن مبدأ الشمولية يفسر نسبة أعمار الميون والتاو.${\displaystyle \mathrm {T} _{\ell }}$من الليبتون${\displaystyle \ell }$(مع${\displaystyle \ell }$= " μ " أو " τ ") يرتبط بمعدل الاضمحلال بواسطة ^{[ 33 ]}

$// _{e}}}+\nu _{\ell }\right)}}\,}$،

أين${\displaystyle \;{\mathcal {B}}(x\rightarrow y)\;}$يشير إلى نسب التفرع و${\displaystyle \;\Gamma (x\rightarrow y)\;}$يشير إلى عرض الرنين للعملية${\displaystyle \;x\rightarrow y~,}$مع استبدال x و y بجزيئين مختلفين من " e " أو " μ " أو " τ ".

وبالتالي فإن نسبة عمر تاو وعمر الميون تعطى بواسطة ^{[ 33 ]}

$// {B}}\left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)}}\,\left({\frac {m_{\mu}}{m_{\tau }}}\right)^{5}~.}$

باستخدام القيم الواردة في مراجعة فيزياء الجسيمات لعام 2008 لنسب التفرع للميون ^{[ 19 ]} والتاو ^{[ 21 ]} ، نحصل على نسبة عمر تبلغ ~ 1.29 × 10−7 ، ^وهو ما يُقارن بنسبة العمر المقاسة التي تبلغ ~ 1.32 × 10 ⁻⁷ . يرجع الاختلاف إلى أن K ₂ و K ₃ ليسا ثابتين في الواقع : فهما يعتمدان قليلاً على كتلة الليبتونات المعنية.

أظهرت الاختبارات الحديثة التي أجريت على عمومية الليبتونات في اضمحلالات ميزون B ، والتي نفذتها تجارب LHCb و BaBar و Belle ، انحرافات متسقة عن تنبؤات النموذج القياسي. ومع ذلك، فإن الدلالة الإحصائية والمنهجية مجتمعة ليست عالية بما يكفي بعدُ لتأكيد رصد فيزياء جديدة . ^{[ 36 ]}

في يوليو 2021، نُشرت نتائج اختبارات تحلل جسيمات W حول عالمية نكهة الليبتون. وقد أظهرت القياسات السابقة التي أجراها مصادم الإلكترونات والبوزيترونات (LEP) اختلالًا طفيفًا، لكن القياسات الجديدة التي أجراها فريق ATLAS تتمتع بدقة مضاعفة وتعطي نسبةً قدرها${\displaystyle R_{W}^{\tau /\mu }={\mathcal {B}}(W\rightarrow \tau \nu _{\tau })/{\mathcal {B}}(W\rightarrow \mu \nu _{\mu })=0.992\pm 0.013}$وهو ما يتفق مع تنبؤ النموذج القياسي بالوحدة. ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]} في عام 2024، نشرت دراسة أولية من قبل فريق تعاون ATLAS قيمة جديدة لـ${\displaystyle R_{W}^{\mu /e}={\mathcal {B}}(W\rightarrow \mu \nu _{\mu })/{\mathcal {B}}(W\rightarrow e\nu _{e})=0.9995\pm 0.0045}$النسبة الأكثر دقة حتى الآن لاختبار عالمية نكهة الليبتون. ^{[ 40 ] [ 41 ]}

خصائص اللبتونات

سبين جيه [ ħ ]	اسم الجسيم أو الجسيم المضاد	رمز	الشحنة Q [ e ]	رقم نكهة ليبتون			الكتلة [ MeV / c 2 ]	مدى الحياة [ s ]
				لي​	L μ	L τ
١/٢​​​​	الإلكترون [ 18 ]	e −	-1	+1	0	0	0.510 998 910 (13)	مستقر
	البوزيترون [ 18 ]	هـ +	+1	-1
	الميون [ 19 ]	μ −	-1	0	+1	0	105.658 3668 (38)	2.197 019 (21) × 10 −6
	مضاد الميون [ 19 ]	μ +	+1		-1
	تاو [ 21 ]	τ −	-1	0	0	+1	1 776 .84(17)	2.906(10) × 10 −13
	مضاد تاو [ 21 ]	τ +	+1			-1
	نيوترينو الإلكترون [ 32 ]	νهـ	0	+1	0	0	< 0.000 0022 [ 42 ]	مجهول
	مضاد النيوترينو الإلكتروني	νهـ		-1
	نيوترينو الميون [ 32 ]	νμ		0	+1	0	<  0.17 [ 42 ]	مجهول
	النيوترينو المضاد للميون [ 32 ]	νμ			-1
	نيوترينو تاو [ 32 ]	ντ		0	0	+1	<  15.5 [ 42 ]	مجهول
	مضاد النيوترينو تاو [ 32 ]	ντ				-1

• صيغة كويدي
• قائمة الجسيمات
• البريونات – جسيمات افتراضية كان يُعتقد سابقًا أنها مكونات فرعية للكواركات واللبتونات

• "الصفحة الرئيسية لمجموعة بيانات الجسيمات" .– يقوم قسم PDG بتجميع معلومات موثوقة حول خصائص الجسيمات.
• "اللبتونات" . الفيزياء وعلم الفلك. جامعة ولاية جورجيا. الفيزياء الفائقة .– ملخص عن اللبتونات.