轻子

轻子（lepton）是标准模型中自旋为二分之一的费米子，质量极小，其本质特点是不参与强相互作用。常见的轻子有两类：带电轻子（也称为类电子轻子或μ子），包括电子、μ子和τ子。中性轻子，即中微子。带电轻子可以与其他粒子结合形成各种复合粒子，例如原子和正电子素，而中微子很少与任何东西相互作用，因此很少被观察到。

“lepton”源自希腊语“leptos”，意思是小的，轻微的，纤细的，精致的。莱昂·罗森菲尔德（Léon Rosenfeld）于1948年最先为英文术语“lepton”命名。该命名假设轻子质量都很小，因为当时学术界只知道有电子与μ子两种轻子，它们的质量确实很少，电子的质量为0.511MeV，μ子的质量为105.7MeV，比质子的质量轻很多。但是到1970年代，人们又发现了τ子，它的质量是1777MeV，几乎是质子的两倍。

1897年，剑桥剑桥大学卡文迪许实验室的汤姆森（Thomson）发现了电子，同样，第一个受人控制的粒子束也是由电子构成，电子是最轻的带电轻子。

汤姆森

1930年，泡利（Pauli）为了解释β衰变使质子和中子相互转变中的能量和动量失踪的现象，根据守恒定律预言：应该存在着一种还不知道的极其微小的中性粒子带走了β衰变中那一部分能量和动量，当时泡利将这种粒子命名为“中子”。1932年，真正的中子被发现，美籍意大利科学家费米（Enrica Fermi）将泡利的“中子”正名为“中微子”（Neutrino）。

泡利

1936年，安德森（Anderson）等人在宇宙线中发现

子，起初他们以为是汤川在理论上预言的传播强相互作用的介子，所以当时称为

介子。但后来实验发现其不参与强相互作用，不具备预期的介子属性，而是表现得像一个电子，只是质量更大，比重子重，所以改称为

子，属第二代轻子。

安德森

1942年，中国科学家王淦昌提出了一种利用轨道电子俘获检测中微子的可行方案（K俘获法）。美国科学家戴维斯（Raymond Davis Jr ）应用王淦昌提出的K俘获法，间接观测到了中微子的存在。1956年，美国科学家莱因斯（Frederick Reines）和考恩（Clyde Lorrain Cowan）用核反应堆发出的反中微子与质子碰撞，第一次直接证实了中微子的存在，并因此获得诺贝尔物理学奖。1962年，美国科学家莱德曼（LeonM）、舒瓦茨（Melvin Schwartz，1932- ）发现中微子有“味道”的属性。

莱因斯

1975年，科学家马丁·路易斯·佩尔（Martin Lewis Perl）美国科学家佩尔等人在美国SLAC实验室的SPEAR正负电子对撞机上发现了一个比质子重两倍，比电子重3500倍的新粒子，其特性类似于电子和

子。经过反复检验，证明是在电子和

子之外的又一种轻子（第五种轻子），以希腊字母

表示。因为

轻子比第一个被发现的轻子——电子重很多，也称它为重轻子。

马丁·路易斯·佩尔

1982年，美国费米实验室科学家用实验支持了

子中微子存在的假设。2000年7月21日，费米国家实验室宣布

中微子（第六种轻子）存在的直接证据。

除重子以外，自旋为1/2的费米子统称为轻子。轻子包括电子、

子和中微子等，它们主要参与弱相互作用和电磁相互作用。中微子可能是以光速运动的、静止质量为0的中性粒子，它们分为两种

和

，分别对应于电子和

子。电子和

子都带有一个负电荷，且都具有一定的质量，所以又被称为重轻子。三代轻子可以分为三代，第一代是轻子是电子和中微子，以及它们所对应的反粒子。第二代轻子是

子和

子中微子，以及它们所对应的反粒子，第三代轻子是

子和

子中微子，以及它们所对应的反粒子。因为轻子家族中共有12个轻子。两族轻子有两族，一族由电子、正电子、

、中微子和

反中微子组成。另一族由正、负

介子，

中微子和

反中微子组成。

子与电子有许多相似之处，但质量却有很大区别，其质量介于电子和介子之间，约为电子质量的207倍。另外，电子是稳定的，

子是不稳定的，其寿命约为2×10秒，其衰变方式为：

。

子有

、

两种，所带电荷与

、

相同，它也是自旋为h2的费米子。

还可以取代原子中的

形成

原子。

中微子自旋为h2，不带电、质量为0，确切的说是在目前现有实验手段下测出其质量几乎为零，只参与弱相互作用。由于中微子不带电，所以不会受到电磁力的影响，也不会引起物质电离。此外，它们仅通过非常弱的中微子相互作用与物质发生反应，且以接近光速运动，具有极强的穿透力，可以穿越地球直径那么厚的物质，在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此中微子的检测非常困难。实际上，大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，例如核反应堆发电（核裂变）、太阳发光（核聚变）、天然放射性（贝塔衰变）、超新星爆发、宇宙射线等等。宇宙中充斥着大量的中微子，大部分为宇宙大爆炸的残留，大约为每立方厘米300个。

在标准模型中，轻子与夸克是物质的基本组成单元，它们之间存在着四种基本相互作用。轻子和夸克之间存在某种对称性，按其质量和性质分为三代，每一代都有一个电荷为

的夸克和一个电荷为

的夸克、一个中微子和一个带电轻子。每一代总电荷量相等，都为零。每一代都重复着前一代的主要物理性质。第一代的轻子和夸克组成了物理世界。第二代和第三代的轻子和夸克组成了在高能条件下出现的物质状态。

轻子是自旋⁄₂粒子，只能处于两种自旋态：上旋或下旋。自旋统计定理将它们按照自旋归类为费米子，遵守泡利不相容原理，因此任何两个全同的轻子不能同时占有相同的量子态。手征性与螺旋性是与自旋紧密相关的两种性质，螺旋性跟粒子的自旋与动量之间的相对方向有关；假若是同向，则粒子具有右手螺旋性，否则粒子具有左手螺旋性。对于不带质量的粒子，其相对方向与参考系无关，可是，对于带质量粒子，由于可以借着洛伦兹变换来改换参考系，所以从不同的参考系观察，粒子动量不同，因此翻改螺旋性，可以从右手螺旋性翻改为左手螺旋性，或从左手螺旋性翻改为右手螺旋性。手征性是通过庞加莱群（Poincaré group）的变换来定义的性质。对于不带质量粒子，手征性与螺旋性一致；对于带质量粒子，手征性与螺旋性有别。在很多量子场论里，例如量子电动力学与量子色动力学，并没有对左手与右手费米子作任何区分。可是，在标准模型的弱相互作用理论里，按照手征性区分的左手与右手费米子被非对称地处理，只有左手费米子参与弱相互作用，右手中微子不存在。这是宇称违反的典型例子。

轻子的电荷

决定了它所产生的电磁场，也决定了它怎样响应外电磁场。轻子的每个世代的组员都有一个带电轻子（

），中性轻子（

）。例如，第一代轻子为电子和电中微子，使用量子场论的语言，带电轻子所涉及的电磁相互作用表达为这轻子与电磁场的量子（光子）彼此之间的相互作用。由于轻子具有自旋，带电轻子会产生磁场，磁偶极矩

，其中

是轻子的质量，

是轻子的

因数。一阶近似量子力学预测，对于所有轻子，

因数为2；费曼图里的虚粒子圈可以对高阶量子效应给出修正，这些修正，称为反常磁偶极矩（anomalous magnetic dipole moment），对于量子场论模型的细节非常敏感，因此是准确检验标准模型的好机会。对于电子测量其反常磁偶极矩所得到的实验数值符合理论结果至8个有效数字。

在标准模型里，轻子可以按照手征性分为左手轻子与右手轻子；左手轻子的弱同位旋T为二分之一，左手带电轻子与左手中微子的弱同位旋投影（弱同位旋的第三分量）T₃分别为负二分之一、正二分之一。弱相互作用是由它们组成二重态共同实现，右手带电轻子的弱同位旋T为0，形成单态，不参与弱相互作用；右手中微子并不存在。希格斯机制是借助希格斯场使粒子获得质量的机制。希格斯场是标量场，在群空间可以有多个分量。它将弱同位旋SU（2）与弱超荷U（1）对称的四个规范场，重新组合成传递弱相对作用的三个带质量玻色子与传递电磁相对作用的不带质量玻色子（光子）。通过盖尔曼-西岛方程，可以从弱同位旋投影T₃与弱超荷Y_W计算出电荷Q：

为了符合观察到的任何粒子所带有的电荷，所有左手弱同位旋二重态的弱超荷Y（W）必须为-1，而右手弱同位旋单态的弱超荷Y（W）必须为-2。

中微子是自然界中迄今已知最“轻盈”的基本粒子，但其质量一直是个未解之谜。在标准模型中它们的质量为零，1998年日本超级神冈实验（Super-K）发现大气中微子存在振荡现象，即中微子在飞行中可以变成其他种类的中微子，形成了中微子振荡的坚实证据。中微子振荡说明中微子有质量，只不过它非常非常小，还不到单个电子质量的50万分之一，以至于现有技术还不能直接测出来。带电轻子的质量差别很大，除了中微子外，电子是最轻的带电轻子，质量约为0.511MeV，大约是质子质量的二千分之一。

子的质量为106MeV，大约是电子质量的200倍，而

子的质量甚至更高，达1784MeV。

在轻子参与的所有弱相互作用和电磁相互作用过程中，发现存在一个守恒的量子数，称为轻子数。所有正粒子的轻子数为+1，反粒子的轻子数为-1，对所有的反应过程，轻子数在反应前后不变，但与电荷守恒不同，轻子数守恒只是实验中总结出来的经验规律，不是已知的相互作用的必然结果，而电荷守恒却是以电磁相互作用为基础的。轻子家族的粒子有六种味，它们具有以下两个重要性质：（1）轻子不参与强力的相互作用，只受电磁力和弱力的影响；（2）轻子数守恒，即轻子只能以粒子-反粒子成对地产生或湮灭，总的轻子数（轻子数目减去反轻子数目）在已知的一切物理过程中保持不变。已知的六种味的轻子成对出现，每一对包括一种荷电轻子和一种被称为中微子的中性轻子。

轻子普适性是指轻子与规范波色子的耦合与其味道无关。轻子和规范玻色子之间的相互作用对于每个轻子来说都是相同的。换句话说，对于电子与电中微子之间的相互作用、μ子与μ中微子之间的相互作用、τ子与τ中微子之间的相互作用，假若将质量差别纳入考量，则这三种相互作用的效应相等。

轻子表

在粒子物理中，

子主要用于寻找稀有衰变。另外，由于强流

子束流衰变产生大量的中微子，因此利用

子产生中微子建立中微子工厂也非常有吸引力。在核物理领域，

子目前主要用于测量质子半径，或者利用缪子原子测量原子精细结构。

国际上开展的μ子稀有衰变测量实验

中微子呈电中性、微质量、稳定好、弱作用、穿透力强、光速传输等独特性质，所以其波束是可以替代电磁波通信，成为传输信息的一种更具优越的无线通信方式，并且传输极远，不受障碍的限制，不怕外界干扰，保密性极好，无辐射和污染，尤其在水下对潜通信及对空对天通信中有着无可比拟的优势。

中微子通信示意图