輕子

英文術語「lepton」源自希臘語「」（leptón），是「」（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]

在克理斯蒂安·莫勒教授的建議之後，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。

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·科溫與弗雷德里克·萊因斯共同完成科溫-萊因斯中微子實驗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]

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μ−
→ e−
+ ν
e + ν
μ ，緲子的衰變率${\displaystyle \Gamma }$以方程式表示為（更詳盡內容，請參閱緲子衰變）[25]^:36-38

${\displaystyle \Gamma \left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)=K_{1}G_{F}^{2}m_{\mu }^{5}}$；

其中，${\displaystyle K_{1}}$是常數，${\displaystyle G_{F}}$是費米耦合常數，${\displaystyle m_{\mu }}$是緲子的質量。

對於過程τ−
→ e−
+ ν
e + ν
τ ，陶子的衰變率${\displaystyle \Gamma }$以同樣形式的方程式表示為

${\displaystyle \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)=K_{2}G_{F}^{2}m_{\tau }^{5}}$；

其中，${\displaystyle K_{2}}$是常數，${\displaystyle m_{\tau }}$是陶子的質量。

緲子-陶子普適性意味著${\displaystyle K_{1}=K_{2}}$。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${\displaystyle L_{l}}$與衰變率${\displaystyle \Gamma }$之間的關係為

${\displaystyle L_{l}={\frac {1}{\Gamma _{total}}}={\frac {B\left(l^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{l}\right)}{\Gamma \left(l^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{l}\right)}}}$；

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

陶子與緲子的壽命比因此為

${\displaystyle {\frac {L_{\tau }}{L_{\mu }}}={\frac {B\left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)}{B\left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)}}\left({\frac {m_{\mu }}{m_{\tau }}}\right)^{5}}$。

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${\displaystyle K_{1}}$、${\displaystyle K_{2}}$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]

${\displaystyle \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)=\Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow \mu ^{-}+{\bar {\nu _{\mu }}}+\nu _{\tau }\right)}$。

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