Encyklopedie vesmíru: Leptony

Dnes jsme tu opět s dalším dílem encyklopedie vesmíru Josipa Kleczka, ve kterém se podíváme na jedny ze základních elementárních částic vesmíru a tím jsou leptony.

Leptony

Leptony (z řeckého slova leptos = lehký) je základní elementární částice. Jsou většinou (ne však všechny) lehčí než hadrony.

leptonsK leptonům patří elektron, mion a tauon se svými neutriny: elektronovým, mionovým a tauonovým. Při všech procesech platí zákon zachování leptonového čísla: vznikne-li nový lepton, současně vzniká jeho antilepton, a zaniká-li lepton, může zaniknout pouze se svým antileptonem. Nejtěžší je lepton tau (tauon) s hmotností rovnou asi dvojnásobku hmotnosti protonu; odtud plyne řada jeho zajímavých vlastností.

Pokud jde o jejich chování, jsou to fermiony, které nereagují na silnou interakci. Mohou proto snadno pronikat do atomových jader (pokud jim v tom nebrání elektrický náboj). Neutrina interagují slabou interakcí pouze s jednotlivými kvarky v nukleonech; v tom je příčina jejich netečnosti k hmotě. V seskupení leptonů stejného druhu (elektronový obal atomu, degenerovaná látka) pro ně platí Pauliho princip.

Leptonové číslo

Leptonové číslo (leptonový náboj, l) je fyzikální veličina charakterizující počet leptonů (přesněji řečeno: počet leptonů minus počet antileptonů).

V každém procesu ve vesmíru (ale i při každém procesu mezi elementárními částicemi vůbec) zůstává leptonové číslo zachováno. Tento poznatek, který vyplývá z pozorování (a má i vážné teoretické důvody) se nazývá zákon  zachování leptonového čísla. Podle něho je součet všech l před reakcí roven součtu všech l po reakci. Např. při materializaci: gama-foton → e+ + e je před reakcí l = 0 a po reakci (-1 +1).

Již v 50. letech 20. století bylo zjištěno, že leptonových čísel je více druhů. Dnes známe tři různá leptonová čísla (a pro každé z nich platí zvláštní zákon zachování):

  • Elektronové Ieptonové číslo, rovné +1 pro elektron a elektronové neutrino, -1 pro pozitron a jeho antineutrino.
  • Mionové leptonové číslo, rovné +1 pro mion a mionové neutrino, -1 pro antimion a jeho antineutrino
  • Tauonové leptonové číslo, rovné +1 pro tauon a tauonové neutrino, -1 pro antitauon a jeho antineutrino.

Všechny baryony a bosony (tj. neleptony) mají leptonová čísla rovná nule. Podle zákonů zachování má každé toto leptonové číslo při každé reakci stejnou hodnotu po reakci jako před ní. Jako příklad rozpad rnionu:

μ → e + νμ + ⊽e

0 = +1 +0 -1 elektronové leptonové číslo
+1 = 0 +1 +0  mionové leptonové číslo
0 = 0 +0 +0  tauonové leptonové číslo

Teoreticky se uvažuje o možnosti, že tyto zákony platí pouze přibližně. Při neutrinových oscilací (které jsou možným vysvětlením nízkých hodnot neutrinového toku ze Slunce) by se tato tři leptonová čísla nezachovávala, ale jejich součet ano. V případě, že by se rozpadal proton (tato možnost se hypoteticky uvažuje a experimentálně zkoumá) by se nezachovávalo ani toto úhrnné leptonové číslo, ale ani baryonové číslo, které by při rozpadu kleslo z +1 na nulu. Pokusy v Superkamiokande však neukazují ani nejmenší náznak, že by k takovému rozpadu došlo. A pokusy s jodidem sodným (NaI) dokazují, že životní doba protonu musí být větší než 1017 roků.

Leptonové období

Leptonové období je úsek vývoje vesmíru, který následoval za hadronovým obdobím. To skončilo hromadným vymizením velké většiny baryonů a zůstaly jen nukleony (protony a neutrony); z nich byl ve hvězdném období budován vesmír, jak ho známe dnes. Když teplota záření i částic klesala od 100 MeV do 1 MeV, byly početně zastoupeny leptony. Teplota dostačovala k hojnému vznikání (procesem materializace) elektronů, pozitronů, neutrin a antineutrin. Počet baryonů, které přežily z baryonového období, byl zanedbatelný (10-9) v porovnání s počtem leptonů a fotonů.

Leptonové období začíná rozpadem nejlehčích hadronů – pionů na miony (tedy leptony):

π+ → μ+ + νμ,
π → μ + ⊽μ

a končí po několika sekundách za teplot 1010 K anihilací pozitronů s elektrony: e+ + e → 2 fotony gama (s energií 1/2 MeV). Během této doby neutrina přestala interagovat s ostatní hmotou vesmíru a začala nezávislou existenci (jako neutrinové moře). Jsou to reliktní neutrina, obdoba reliktních fotonů  (tj. reliktního záření), které vzniklo o 300 000 let později (kosmologickou rekombinací).

Z baryonového období zůstal stejný počet protonů a neutronů. Neutrony se rozpadaly (s poločasem čtvrt hodiny), takže přibývalo protonů na účet neutronů. Než se však mohly všechny neutrony rozpadnout v protony, došlo ke kosmologické nukleosyntéze. Ta probíhala ještě po skončení leptonového období – asi 2 minuty. Z té doby pochází většina deuteria a helia, které je v dnešním vesmíru. Hromadným vymizením leptonů a antileptonů končí leptonové období a začíná zářivé období.

Kniha: Velká encyklopedie vesmíru (2002)
Autor: doc. dr. Josip Kleczek, DrSc.

O Scimani 30 Článků
Zajímám se o astronomii a miluji sci-fi, především Hvězdnou bránu, Dark Matter, Hvězdné války, Mass Effect a další.