ΛΕΠΤΟΝΙΑ

Τα λεπτόνια είναι μία από τις τρεις οικογένειες σωματιδίων (οι άλλες δύο είναι τα κουάρκ και οι μεσολαβητές των δυνάμεων) που σχηματίζουν από τα πιο μικρά μέχρι τα μεγαλύτερα σώματα στην φύση. Κάθε τι που γνωρίζουμε μέχρι σήμερα στο σύμπαν μας, κατασκευάζεται από αυτές τις τρεις οικογένειες σωματιδίων.

Υπάρχουν έξι λεπτόνια, τρία αρνητικά φορτισμένα  με φορτίο – e :  το ηλεκτρόνιο (e-), το μιόνιο (μ^– ) και το τ λεπτόνιο (τ^– )

και τρία χωρίς φορτίο (ουδέτερα) που τα ονομάζουμε νετρίνα : το νετρίνο του ηλεκτρονίου (ν_e ), το νετρίνο του μιονίου (ν_μ )  και το νετρίνο του τ λεπτονίου (ν_τ )

Τα λεπτόνια έχουν σπιν ħ/2 και αλληλεπιδρούν μέσω της ηλεκτρομαγνητικής, της ασθενούς και της βαρυτικής δύναμης. Δεν φέρουν χρώμα, συνεπώς δεν αλληλεπιδρούν μέσω της ισχυρής πυρηνικής δύναμης.

Τα λεπτόνια δεν αποτελούνται από άλλα σωματίδια, είναι δηλαδή στοιχειώδη, και θεωρούνται σχεδόν σαν “σημεία” με διαστάσεις που δεν ξεπερνούν τα 10^-17 m. 

Το ηλεκτρόνιο έχει πολύ μικρή μάζα, το μιόνιο είναι μία βαρύτερη εκδοχή του ηλεκτρονίου και το τ λεπτόνιο ακόμα βαρύτερη. Τα νετρίνα έχουν διάφορες μάζες, αλλά είναι τόσο μικρές, ώστε δεν μπορούμε ακόμα να τις μετρήσουμε.  Απ’ όσο γνωρίζουμε, περισσότερα από 100000 νετρίνα ζυγίζουν περίπου όσο ένα ηλεκτρόνιο. Τα νετρίνα μπορούν, επίσης, να αλλάζουν από τη μία μορφή τους σε άλλη.

Τα λεπτόνια, όπως και τα κουάρκ, κατατάσσονται σε τρεις γενιές: το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο του, το μιόνιο και το νετρίνο του μιονίου, το τ λεπτόνιο και το νετρίνο του τ λεπτονίου. Ο λόγος που υπάρχουν  στο σύμπαν μας αυτές οι τρεις γενιές από λεπτόνια και αντίστοιχα οι τρεις γενιές από κουάρκ, παραμένει ένα μυστήριο.

Το αντισωματίδιο κάθε φορτισμένου λεπτονίου έχει την ίδια μάζα με αυτό, αλλά αντίθετο φορτίο.
Στην περίπτωση των ουδέτερων λεπτονίων (νετρίνα) ο διαχωρισμός τους γίνεται με βάση το σπιν.
Τα νετρίνα είναι “αριστερόστροφα” ενώ τα αντινετρίνα είναι “δεξιόστροφα”. 

Τα φορτισμένα λεπτόνια

Το ηλεκτρόνιο ανακαλύφθηκε στο τέλος του 19ου αιώνα από τον J.J. Thomson. 

Είναι το σημαντικότερο από όλα τα υπο-ατομικά σωματίδια. Η παρουσία του στο εξωτερικό των ατόμων οδήγησε στην δημιουργία της πολυπλοκότητας του σύμπαντός μας. Οι επιτυχίες της σύγχρονης Χημείας και Βιοχημείας – από την ανακάλυψη των πλαστικών, μέχρι την δημιουργία των νέων φαρμάκων – βασίζονται στην λεπτομερειακή μελέτη και κατανόηση του τρόπου που συμπεριφέρονται τα ηλεκτρόνια στα άτομα. 

Τα ηλεκτρόνια, επειδή είναι πολύ ελαφριά, μπορούν εύκολα να εκτραπούν από τα άτομα και να κινηθούν ελεύθερα. Η κίνησή τους οδηγεί στην δημιουργία του ηλεκτρικού ρεύματος. Τα ηλεκτρόνια δεν έχουν να κάνουν μόνο με το ρεύμα, αλλά  αποτελούν την βάση όλων των ηλεκτρονικών συστημάτων, από την τηλεόραση μέχρι τα μικροτσίπ.  Η Ηλεκτρονική είναι η εφαρμοσμένη επιστήμη που προσπαθεί να θέσει σε έλεγχο την κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων. 

Τα μιόνια ανακαλύφθηκαν αρχικά την δεκαετία του 1930 στις κοσμικές ακτίνες. Όταν παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά, θεωρήθηκε ότι πρόκειται για ηλεκτρόνια με πολύ μεγάλες ενέργειες. 

Μετά από προσεκτικές μελέτες των τροχιών τους ο C. Anderson και ο S. Neddermeyer διαπίστωσαν (1936) ότι πρόκειται για νέο σωματίδιο με μάζα που είναι 200 φορές μεγαλύτερη από την μάζα του ηλεκτρονίου.  Αρχικά  το αποκάλεσαν  “mesotron” (meso-electron), δηλαδή  ένα μεσαίο ηλεκτρόνιο, ανάμεσα στο ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο, και τελικά ονομάστηκε μιόνιο (muon).

Το μιόνιο δεν είναι σταθερό σωματίδιο και διασπάται :

μ^–  → e^–  + ṽ_e + ν_μ 

Το ίδιο συμβαίνει και με το θετικό μιόνιο (το αντισωματίδιο του μιονίου) : 

μ⁺  → e⁺  + ṽ_μ + ν_e

Αυτές οι διασπάσεις συμβαίνουν σε χρόνο  2,2 x 10^-6 s, όταν τα μιόνια είναι ακίνητα. Ωστόσο, επειδή κινούνται με μεγάλες ταχύτητες, μεγαλώνει ο χρόνος ζωής τους (διαστολή χρόνου λόγω της σχετικότητας) και μπορούν να ανιχνευτούν μέχρι να διασπαστούν.

Η πλειοψηφία των μιονίων των κοσμικών ακτίνων διασπάται κατά την διάρκεια της κίνησής τους μέσα στην ατμόσφαιρα, αλλά τα πιο ενεργητικά από αυτά επιβιώνουν αρκετά, ώστε να διεισδύσουν βαθιά στο έδαφος. 

Το μιόνιο δεν είναι απλά ένα βαρύτερο ηλεκτρόνιο, γιατί τότε θα έπρεπε να συμβαίνει μια διάσπαση της μορφής : μ^–   → e^–  + γ 
που, όμως, δεν έχει παρατηρηθεί. 

Ωστόσο, δεν γνωρίζουμε, γιατί είναι απαραίτητη στην  φύση η παρουσία της ποικιλίας των  λεπτονίων.

Όταν ηλεκτρόνια μεγάλης ενέργειας διέρχονται μέσα από την ύλη, εκπέμπουν αρκετή από την ενέργειά τους με μορφή φωτονίων (Bremsstrahlung). Τα φωτόνια με την σειρά τους σχηματίζουν νέα ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια που, αν έχουν αρκετή ενέργεια, εκπέμπουν νέα φωτόνια. Σχηματίζεται με αυτήν την διαδικασία ένα “ηλεκτρομαγνητικό” συντριβάνι από ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια και φωτόνια σχεδόν σε ίσες αναλογίες. Η διαδικασία αυτή σταματά, όταν τα σωματίδια που σχηματίζονται έχουν ενέργεια μικρότερη από κάποιο όριο.

Τα μιόνια συμπεριφέρονται όπως και τα ηλεκτρόνια, αλλά, επειδή είναι πολύ βαρύτερα, εκπέμπουν λιγότερα φωτόνια. Έτσι τα μιόνια αναγνωρίζονται από τις χαρακτηριστικές μοναχικές τους τροχιές, χωρίς την παρουσία “ηλεκτρομαγνητικών” ή “αδρονικών” συντριβανιών.

Στα μέσα της δεκαετίας του 1970 ανακαλύφθηκε από τον M. Perl και νέο φορτισμένο λεπτόνιο στο εργαστήριο SLAC στην Καλιφόρνια. Ήταν 20 φορές  βαρύτερο από το μιόνιο και σχεδόν 4000 φορές βαρύτερο από το ηλεκτρόνιο. Επειδή ήταν το “τρίτο” σε σειρά λεπτόνιο, ονομάστηκε τ.

Όπως το ηλεκτρόνιο και το μιόνιο, έτσι και το τ λεπτόνιο έχει αρνητικό φορτίο (- e), ενώ το αντισωματίδιό του έχει θετικό φορτίο (+ e). Δεν αλληλεπιδρά μέσω της ισχυρής δύναμης, αλλά συμμετέχει μόνο σε αντιδράσεις που πραγματοποιούνται μέσω της ηλεκτρομαγνητικής ή της ασθενούς δύναμης.

Όταν ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο συγκρούονται με ολική ενέργεια μεγαλύτερη από 3,6 GeV, εξαϋλώνονται και παράγεται ένα ζεύγος τ^–  και τ⁺  λεπτονίων, τα οποία γρήγορα (σε χρόνο 3 x 10^-13 s) διασπώνται.
Σε ένα ποσοστό των περιπτώσεων συμβαίνει η διάσπαση :

 τ^–  → e^–  + ṽ_e + ν_τ 
ή
τ^–  → μ^–  + ṽ_μ + ν_τ  

Αλλά, επειδή το τ λεπτόνιο είναι αρκετά βαρύ (δύο φορές βαρύτερο από το πρωτόνιο), μπορεί να μετατραπεί στο νετρίνο του (διατηρώντας τον λεπτονικό αριθμό) και η υπόλοιπη ενέργεια να σχηματίσει ζεύγη κουάρκ και αντικουάρκ που στην συνέχεια σχηματίζουν μεσόνια (πιόνια ή και καόνια). 

Ένα τέτοιο παράδειγμα διάσπασης του τ λεπτονίου που ονομάζεται “3 + 1” διάσπαση, φαίνεται στην φωτογραφία. Ένα τ⁺  και ένα τ^–  παράγονται μαζί και διασπώνται ως εξής: 

Το πρώτο  τ λεπτόνιο διασπάται σε ένα νετρίνο και τρία φορτισμένα πιόνια, που αφήνουν ίχνη σε μία κατεύθυνση και στην αντίθετη κατεύθυνση εμφανίζεται η διάσπαση του άλλου τ λεπτονίου σε ένα μόνο φορτισμένο μιόνιο και αόρατα νετρίνα.

Υπάρχει περίπτωση και τα δύο τ λεπτόνια να διασπώνται σε τρία πιόνια μαζί με αόρατα νετρίνα και τότε μιλάμε για “3 + 3” διάσπαση.

Τα νετρίνα

Το νετρίνο είναι μία από τις πιο διεισδυτικές και πιο δύσκολα ανιχνεύσιμες μορφές της ύλης στο σύμπαν μας. Μπορεί να διαπερνά την Γη, όπως μια σφαίρα περνάει μέσα από ένα σύννεφο. Αυτή την στιγμή που διαβάζεις, δισεκατομμύρια νετρίνα έρχονται από τον Ήλιο και κινούνται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Αυτός ο “άνεμος” των νετρίνων προέρχεται από τις πυρηνικές αντιδράσεις στον Ήλιο. Επιπλέον, νετρίνα και αντινετρίνα εκπέμπονται από σουπερνόβα (και άλλα ιδιόμορφα συμπαντικά φαινόμενα) στον γαλαξία μας και πέρα από αυτόν. Υποστηρίζεται ότι στα βάθη του σύμπαντος υπάρχουν κατά μέσο όρο 100 με 1000 νετρίνα ανά cm³ .

Τα νετρίνα δεν έχουν άμεση συνέπεια σε μας, αλλά πιστεύουμε ότι παίζουν σημαντικό ρόλο στις διαδικασίες που σχημάτισαν και διαμορφώνουν το σύμπαν μας. 

Την ύπαρξη του νετρίνου πρότεινε στα 1930 ο W. Pauli, για να ερμηνεύσει την συμπεριφορά των σωματιδίων που παράγονταν στην ραδιενεργό β-διάσπαση. Το σωματίδιο αυτό ήταν αρκετά περίεργο σε σχέση με τα άλλα που γνωρίζαμε εκείνη την εποχή. Έπρεπε να μην έχει φορτίο, να έχει λίγη ή καθόλου μάζα, αλλά να έχει σπιν, όπως ακριβώς το ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο. Αργότερα, ο Ιταλός φυσικός Ε. Fermi το αποκάλεσε νετρίνο (neutrino), δηλαδή, όπως λέγεται στα ιταλικά ένα μικρό, ουδέτερο (neutral) σωματίδιο.

Έχουν ανακαλυφθεί τρία είδη νετρίνων. Το νετρίνο του ηλεκτρονίου, το νετρίνο του μιονίου και το νετρίνο του τ λεπτονίου. Τα νετρίνα είναι λεπτόνια, έχουν σπιν ħ/2 , δεν έχουν φορτίο, έχουν πολύ μικρή μάζα και αλληλεπιδρούν μέσω της ασθενούς και της βαρυτικής δύναμης. 

Είναι στοιχειώδη σωματίδια της ύλης και αλληλεπιδρούν εξαιρετικά σπάνια με τις άλλες μορφές της. Καθένα από τα είδη των νετρίνων σχηματίζεται από την κβαντική υπέρθεση “καταστάσεων”, πράγμα που επιτρέπει στα νετρίνα να “ταλαντεύονται” από το ένα είδος στο άλλο.

Σε μικρές αποστάσεις ένα νετρίνο δεν αλλάζει το είδος του, αλλά σε πολύ μεγάλες αποστάσεις ένα είδος νετρίνου μπορεί να αλλάξει σε κάποιο άλλο είδος νετρίνου, δηλαδή ένα νετρίνο του ηλεκτρονίου να μετατραπεί σε ένα νετρίνο του μιονίου ή ένα νετρίνο του τ λεπτονίου. Αυτό συμβαίνει διότι έχουν μάζες εξαιρετικά μικρές, αλλά όχι μηδενικές.

Η ταλάντωση αυτή ανιχνεύτηκε για πρώτη φορά στο διάσημο πείραμα που πραγματοποιήθηκε στο ορυχείο χρυσού Homestake στο Lead της Νότιας Ντακότα. Εκεί ο R. Davis παρατήρησε τα ηλιακά νετρίνα που αλληλεπιδρούσαν σε μια δεξαμενή με υγρό C₂Cl₄, μετρώντας τα άτομα Αργού (Ar) που παράγονταν  από την αντίδραση :

ν_e  + ³⁷Cl  →  ³⁷Ar  +  e^– 

Το πείραμα στήθηκε σε χώρο απομονωμένο από τον “θόρυβο” άλλων κοσμικών ακτίνων (σε βάθος περίπου 1,5 km). 

Μέσα σε 24 χρόνια (από το 1970), παρατηρήθηκε μόνο το ένα τρίτο από τα νετρίνα που αναμενόταν να παρατηρήσουμε. Επομένως, τα ηλιακά νετρίνα κατά την κίνησή τους προς την Γη μετατράπηκαν σε νετρίνα άλλου είδους.

Στα εργαστήρια σωματιδιακής φυσικής χρησιμοποιούνται δέσμες νετρίνων, για να ερευνηθούν τα θεμελιώδη συστατικά της ύλης.