¿Qué son los leptones en la física de partículas? Tipos y ejemplos

Publicado el 30 abril, 2023 por Rodrigo Ricardo

¿Qué son los leptones?

Una definición simple de leptón es la clasificación o categoría de partículas subatómicas elementales que solo están influenciadas por la fuerza gravitatoria, la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética. Los leptones no están influenciados por la fuerza nuclear fuerte. Esto contrasta con partículas como los protones y los neutrones, que se mantienen unidas dentro del núcleo de un átomo por la fuerza nuclear fuerte. La palabra leptón comenzó a usarse para describir una clase de partículas elementales en 1948 y proviene de la palabra griega leptos que significa “pequeño, sutil, delicado” o “trillado”.

Tipos de leptones

Las partículas de leptón incluyen:

  • Electrón (e)
  • Tauón (T)
  • Muón (μ)

Los leptones pueden tener carga negativa o ser neutros. Las partículas de leptón antes mencionadas están cargadas negativamente y también tienen una masa medible. Cada uno de estos leptones tiene una versión neutra correspondiente llamada neutrino. Los tres sabores de neutrino leptón incluyen:

  • Neutrino electrónico (v e )
  • Neutrino Tauón (v t )
  • Neutrino muón (vμ)

Los leptones son importantes para estudiar en física de partículas. Ayudan a explicar y modelar fenómenos subatómicos, como la ionización y la descomposición de partículas. Además, dentro del estudio de la química, ayudan a explicar la naturaleza de las reacciones químicas y los enlaces químicos.

Historia de Leptón

El primer leptón y la primera partícula subatómica que se descubrió fue el electrón. El electrón fue descubierto por JJ Thomson en 1897 mientras experimentaba con rayos catódicos. Pudo determinar que los rayos catódicos en realidad estaban compuestos por partículas subatómicas con poca masa y carga negativa. Thomson hizo esto midiendo la influencia que tenía un imán en la corriente de partículas (es decir, rayos catódicos). Dado que los rayos catódicos son repelidos por una carga negativa y atraídos por una carga positiva, se determinó que exhibieron una carga negativa. La cantidad de rayos catódicos desplazados por un imán permitió a Thomson determinar su masa (es decir, 1/1836 de la masa de un protón).

El siguiente leptón que se descubrió fue el muón en 1936. Los físicos estadounidenses Carl D. Anderson y Seth Neddermeyer determinaron que los rayos cósmicos estaban formados por otro miembro del grupo de partículas de los leptones. Pudieron determinar esto al demostrar que las partículas constituyentes de los rayos cósmicos no se vieron afectadas por la fuerza nuclear fuerte (es decir, la fuerza responsable de mantener unidos los núcleos de los átomos). También se determinó que los muones son inestables y cada uno se descompone rápidamente por la fuerza nuclear débil en un electrón y dos tipos de neutrinos.

La partícula de leptón tau fue descubierta a través de una serie de experimentos realizados por Martin Lewis Perl en el Centro Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) y que duró de 1974 a 1977. El descubrimiento de la partícula fue anticipado por Yung-su Tsai en 1971, quien teorizó cómo podría ser detectado. Se determinó que el tau era bastante masivo en relación con el electrón y el muón. Además, como el muón, la tau se descompone en otras partículas.

Propiedades de los leptones

Como se mencionó anteriormente, hay tres partículas de leptones que tienen cada una una versión neutra llamada neutrino. La siguiente tabla describe las propiedades de cada partícula.

Nombre de leptón Estabilidad Cargar Masa Girar Interacciones Símbolo carga de color
Electrón Estable Cargado negativamente; la carga es igual a 1.602176634 x 10^{-19} ; o -1 e Tiene una masa igual a 1/1836 de una unidad de masa atómica, o 9,1093837015 x 10^{-31} kg; o 0,51099895000 electronvoltios. 1/2 giro hacia arriba o hacia abajo. Gravedad, electromagnética, fuerza débil. e o Β ninguno
Muón Inestable; Tiene una vida útil de 2,2 microsegundos antes de desintegrarse en un electrón, un neutrino electrónico y un neutrino muón. La descomposición desplaza los electrones de los átomos y provoca la ionización. Cargado negativamente; -1 e. 207 veces más masivo que un electrón; 105,6583755 electronvoltios. 1/2 giro hacia arriba o hacia abajo Gravedad, electromagnética, fuerza débil. m ninguno
Tau Inestable; Se desintegra en neutrino tau y un bosón W. Cargado negativamente; -1 e. 3477 veces más masivo que un electrón; 1776,86 electronvoltios. 1/2 giro hacia arriba o hacia abajo Gravedad, electromagnética, fuerza débil. t ninguno
Neutrino electrónico Desconocido Sin cargo; 0 e. Cerca de cero 1/2 giro hacia arriba o hacia abajo Gravedad, fuerza débil. v_e _ ninguno
Neutrino muón Desconocido Sin cargo; 0 e. Cerca de cero 1/2 giro hacia arriba o hacia abajo Gravedad, fuerza débil. v_ μ ninguno
Neutrino tau Desconocido Sin cargo; 0 e. Cerca de cero 1/2 giro hacia arriba o hacia abajo Gravedad, fuerza débil. v_t _ ninguno

Ejemplos de leptones

Además del hecho de que los electrones fueron las primeras partículas subatómicas que se descubrieron, los leptones todavía son relativamente difíciles de estudiar u observar en comparación con otras partículas subatómicas. Esto puede tener que ver con la poca masa que tienen o con su falta de estabilidad en el caso del muon y tau.

Los leptones son un tipo de partícula elemental. Las partículas elementales también incluyen quarks y bosones.

Esta tabla ilustrada describe el modelo estándar y enumera todas las partículas elementales, incluidos los quarks y los leptones.
  • Los electrones son históricamente los leptones más estudiados.

A menudo, a medida que los físicos y los físicos cuánticos continuaban observando de cerca los electrones, comenzaron a surgir más preguntas. Por ejemplo, el trabajo de Schrödinger y Heisenberg con electrones demostró que los electrones pueden comportarse como partículas y ondas; y que la energía y la posición de un electrón no pueden conocerse al mismo tiempo. Por lo tanto, se adoptó el modelo de nube de electrones del átomo donde los electrones se ven como funciones probabilísticas o cosas que deben verse con diferentes probabilidades de ocupar ciertos lugares alrededor del núcleo de un átomo. Los electrones también son tan pequeños que los físicos creen que son elementales o que no están compuestos de partes constituyentes. Esto contrasta con una clase diferente de partículas subatómicas, llamadas hadrones, que incluye tanto protones como neutrones, entre otras partículas. Los hadrones son un tipo de partícula subatómica, que están influenciados por la fuerza nuclear fuerte y cada uno está compuesto de diferentes sabores de una partícula elemental llamada quarks. Los físicos creen que los quarks, como los electrones, son elementales.

  • Partícula tau

La partícula tau es muy diferente del electrón en más de un sentido. El tau es inestable y puede descomponerse en otras partículas que, de hecho, contienen quarks. Se ha observado que tau, una partícula de leptón mucho más pesada, se descompone en partículas llamadas pi-mesones, que son un tipo de partícula hadrónica compuesta de quarks y antiquarks. Aunque la tau es en sí misma elemental, puede desintegrarse o transformarse en partículas que en sí mismas no son elementales (p. ej., hadrones).

Resumen de la lección

Los leptones son una categoría de partículas subatómicas elementales que solo están influenciadas por la fuerza gravitatoria, la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética. Los leptones contrastan con las partículas de hadrones en el sentido de que son elementales o no están compuestos por partículas constituyentes. Los hadrones son partículas subatómicas, como los protones y los neutrones, que se componen de partículas elementales más pequeñas llamadas quarks  Hay tres sabores de leptones que a su vez tienen una versión neutra correspondiente llamada neutrino.

Los tres tipos de electrones incluyen el electrón, el muón y el tau. Sus neutrinos correspondientes se denominan simplemente neutrino electrónico, neutrino muón y neutrino tau. Los tres sabores de leptones están cargados negativamente, mientras que sus neutrinos no tienen carga. Sin embargo, cada uno de los leptones tiene una masa diferente. Los electrones son los más ligeros, mientras que los muones son 207 veces más pesados ​​y la tau es 3477 veces más pesada. Los leptones son un tema importante de estudio para los físicos, ya que arrojan más luz sobre la extraña naturaleza cuántica de la realidad y la materia.

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