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素粒子物理学において、レプトンは半整数スピン（スピン1/2 ）を持つ素粒子であり、強い相互作用を受けない。[ 1 ]レプトンには大きく分けて2種類ある。荷電レプトン（電子のようなレプトンまたはミューオンとも呼ばれる）には、電子、ミューオン、タウオンなどがあり、中性レプトン（ニュートリノとしてよく知られている）がある。荷電レプトンは他の粒子と結合して、原子や陽電子などの様々な複合粒子を形成できるが、ニュートリノは他の粒子と相互作用することはほとんどなく、そのため観測されることも稀である。最もよく知られているレプトンは電子である。
レプトンにはフレーバーと呼ばれる6種類があり、 3つの世代に分類されます。[ 2 ] 第1世代のレプトン（電子レプトンとも呼ばれる）は、電子（e− ）から構成されます。) と電子ニュートリノ( νe））2番目はミューオンレプトン、ミューオン（μ −）とミューニュートリノ（νμ））と 3 番目はタウ粒子レプトンで、タウ(τ −）とタウニュートリノ（ντ ) 電子は、すべての荷電レプトンの中で最も質量が小さい。より重いミューオンとタウは、粒子崩壊宇宙で最も一般的な荷電レプトンである一方、ミューオンとタウは、高エネルギー宇宙線粒子加速器で行われる衝突など）でのみ生成される。
レプトンは、電荷、スピン、質量など、さまざまな固有の性質を持っています。しかし、クォークとは異なり、レプトンは強い相互作用の影響を受けませんが、重力、弱い相互作用、電磁気という他の3つの基本的な相互作用の影響を受けます。電磁気は電荷に比例するため、電気的に中性のニュートリノの場合はゼロになります。
各レプトンフレーバーには、対応する反粒子（反レプトン）が存在する。反レプトンとレプトンとの違いは、その性質の一部が大きさが等しく符号が逆であるという点のみである。いくつかの理論によれば、ニュートリノは自身の反粒子である可能性がある。これが事実かどうかは、現時点では不明である。
最初の荷電レプトンである電子は、19 世紀半ばに複数の科学者によって理論的に提唱され[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 、1897 年にJJ トムソンによって発見されました[ 6 ]。次に観測されたレプトンは、 1936 年にカール D. アンダーソンによって発見されたミューオンで、当時は中間子に分類されていました[ 7 ] 。調査の結果、ミューオンは中間子の期待される性質を持たず、質量が大きいだけで電子のように振る舞うことが明らかになりました。粒子のファミリーとしての「レプトン」の概念が提案されるまでには 1947 年までかかりました[ 8 ] 。最初のニュートリノである電子ニュートリノは、ベータ崩壊の特定の特性を説明するために 1930 年にヴォルフガング パウリによって提案されました。[ 8 ] 1956 年にクライド・コーワンとフレデリック・ライネスが行ったコーワン・ライネス・ニュートリノ実験で初めて観測された。[ 8 ] [ 9 ]ミューニュートリノは 1962 年にレオン・M・レーダーマン、メルビン・シュワルツ、ジャック・スタインバーガーによって発見され、[ 10 ]タウニュートリノは 1974 年から 1977 年の間にマーティン・ルイス・パールとスタンフォード線形加速器センターおよびローレンス・バークレー国立研究所の同僚によって発見された。[ 11 ]タウニュートリノは 2000 年 7 月にフェルミラボのDONUTコラボレーションがその発見を発表するまで、捉えどころがなかった。[ 12 ] [ 13 ]
レプトンは標準模型の重要な構成要素です。電子は陽子や中性子とともに原子を構成する要素の一つです。電子の代わりにミューオンやタウを持つエキゾチック原子や、ポジトロニウムのようなレプトン・反レプトン粒子も合成可能です。
レプトンという名前は、ギリシャ語のλεπτός leptós、「細かい、小さい、薄い」（中性主格/対格単数形：λεπτόν leptón）に由来します。 [ 14 ] [ 15 ]この単語の最も古い記録は、線文字 B音節文字で書かれたミケーネ ギリシャ語の𐀩𐀡𐀵、re-po-toです。 [ 16 ]レプトンという名前は、 1948 年に物理学者のレオン ローゼンフェルドによって初めて使用されました。 [ 17 ]
C. Møller教授の提案に従い、私は「核子」の対義語として、質量の小さい粒子を表すために「レプトン」（λεπτός、小さい、薄い、繊細なから）という名称を採用します。
ローゼンフェルドは、電子と（当時仮説上の）ニュートリノの一般的な名称としてこの名前を選んだ。さらに、当初は中間子として分類されていたミューオンは、1950年代にレプトンとして再分類された。これらの粒子の質量は核子に比べて小さい。電子の質量は（0.511 MeV/ c 2 ) [ 18 ]およびミューオンの質量 (値は105.7 MeV/ c 2 ) [ 19 ]は「重い」陽子の質量の分数である (938.3 MeV/ c 2 )、ニュートリノの質量はほぼゼロです。[ 20 ]しかし、タウ（1970年代半ばに発見）の質量は1777 MeV/ c 2 ) [ 21 ]は陽子のほぼ2倍であり、電子の3477倍[22 ] 。
最初に特定されたレプトンは電子で、 1897年にJJトムソンと彼のイギリスの物理学者チームによって発見されました。 [ 23 ] [ 24 ]その後、1930年にヴォルフガング・パウリは、ベータ崩壊におけるエネルギー保存則、運動量保存則、角運動量保存則を維持するために電子ニュートリノを仮定しました。[ 25 ]パウリは、検出されていない粒子が、初期粒子と観測された最終粒子のエネルギー、運動量、角運動量の差を運び去っていると理論づけました。電子ニュートリノは、ニュートリノに異なる種類（または異なる「世代」）があることがまだ知られていなかったため、単にニュートリノと呼ばれていました。
電子の発見から約40年後の1936年、カール・D・アンダーソンによってミューオンが発見されました。その質量のため、当初はレプトンではなく中間子に分類されていました。 [ 7 ] 後に、ミューオンは強い相互作用を受けないため、中間子よりも電子にずっと似ていることが明らかになり、ミューオンは再分類されました。電子、ミューオン、および（電子）ニュートリノは、レプトンという新しい粒子群にまとめられました。1962年、レオン・M・レーダーマン、メルビン・シュワルツ、ジャック・スタインバーガーは、ミューオンニュートリノの相互作用を最初に検出することで、複数の種類のニュートリノが存在することを示し、 1988年のノーベル賞を受賞しました。ただし、その時点ですでにニュートリノの異なるフレーバーは理論的に提唱されていました。[ 26 ]
タウ粒子は、1974年から1977年にかけてSLAC LBLグループの同僚とともにマーティン・ルイス・パールが行った一連の実験で初めて検出されました。[ 11 ]電子やミューオンと同様に、タウ粒子にも関連するニュートリノが存在すると予想されていました。タウニュートリノの最初の証拠は、ベータ崩壊における「欠落した」エネルギーと運動量に類似した、タウ崩壊における「欠落した」エネルギーと運動量の観測から得られ、これが電子ニュートリノの発見につながりました。タウニュートリノ相互作用の最初の検出は、2000年にフェルミラボのDONUTコラボレーションによって発表され、ヒッグス粒子が2012年に発見されてから2番目に新しい、直接観測された標準模型の粒子となりました。 [ 13 ]
現在のデータはすべて3世代のレプトンと一致しているが、一部の素粒子物理学者は第4世代を探している。そのような第4の荷電レプトンの質量の現在の下限は100.8 GeV/ c² 、[ 27 ]一方、それに伴うニュートリノの質量は少なくとも45.0 GeV/ c 2 。[ 28 ]
レプトンはスピン1/2の粒子です。したがって、スピン統計定理は、レプトンがフェルミオンであり、パウリの排他原理に従うことを意味します。つまり、同じ種類のレプトンが同時に同じ状態になることはできません。さらに、レプトンはアップまたはダウンの2つのスピン状態しか持ち得ないことを意味します。
密接に関連する性質としてカイラリティがあり、これはさらに、より視覚的に理解しやすい性質であるヘリシティと密接に関連しています。粒子のヘリシティとは、運動量に対するスピンの方向のことです。スピンが運動量と同じ方向を向いている粒子は右巻き、そうでない粒子は左巻きと呼ばれます。粒子が質量を持たない場合、スピンに対する運動量の方向はどの基準系でも同じですが、質量を持つ粒子の場合は、より速く動く基準系を選択することで粒子を「追い越す」ことが可能です。より速い基準系では、ヘリシティは反転します。カイラリティは、ポアンカレ群の下での変換挙動によって定義される技術的な性質であり、基準系によって変化しません。質量を持たない粒子の場合、ヘリシティと一致するように設計されており、質量を持つ粒子の場合も明確に定義されています。
量子電磁力学や量子色力学など、多くの量子場理論では、左巻きフェルミオンと右巻きフェルミオンは同一です。しかし、標準模型の弱い相互作用では、左巻きフェルミオンと右巻きフェルミオンは異なる扱いを受けます。弱い相互作用に関与するのは、左巻きフェルミオン（および右巻き反フェルミオン）のみです。これは、パリティ対称性の破れがモデルに明示的に記述されている例です。文献では、左巻き場はしばしば大文字のL添え字（例：通常の電子 e − L ）で、右巻き場は大文字のR添え字（例：陽電子 e + R ）で表されます。
右巻きニュートリノと左巻き反ニュートリノは他の粒子と相互作用することができない（無菌ニュートリノを参照）ため、標準模型の機能的な部分ではないが、それらを除外することは厳密な要件ではない。モデルに含めたとしても積極的な役割を果たさないことを強調するために、粒子表に記載されることがある。電気的に帯電した右巻き粒子（電子、ミューオン、タウ）は、特に弱い相互作用には関与しないが、電気的に相互作用することはできるため、異なる強さ（ Y W ）ではあるものの、複合電弱力には関与する。
レプトンの最も顕著な特性の一つは、その電荷Qです。電荷は、レプトンの電磁相互作用の強さを決定します。電荷は、粒子によって生成される電場の強さ（クーロンの法則を参照）と、粒子が外部の電場または磁場にどれだけ強く反応するか（ローレンツ力を参照）を決定します。各世代には、 Q = −1 eのレプトンが 1 つと、電荷がゼロのレプトンが 1 つ含まれています。電荷を持つレプトンは一般的に単に荷電レプトンと呼ばれ、電荷を持たないレプトンはニュートリノと呼ばれます。例えば、第 1 世代は電子e − 1から構成されます。負の電荷を持つ電子ニュートリノνと電気的に中性の電子ニュートリノνe。
量子場理論の言葉で言えば、荷電レプトンの電磁相互作用は、粒子が電磁場の量子である光子と相互作用するという事実によって表現される。電子と光子の相互作用のファインマン図は右図に示されている。
レプトンはスピンという形で固有の回転を持つため、荷電レプトンは磁場を生成する。その磁気双極子モーメントμの大きさは次式で与えられる。
ここで、 mはレプトンの質量、gはレプトンのいわゆる「g 因子」です。一次量子力学的近似では、すべてのレプトンに対してg因子の大きさは 2 であると予測されます。しかし、ファインマン図のループによって引き起こされる高次の量子効果により、この値に補正が加えられます。異常磁気双極子モーメント と呼ばれるこれらの補正は、量子場理論モデルの詳細に非常に敏感であり、したがって標準模型の精密な検証の機会を提供します。電子の異常磁気双極子モーメントの理論値と測定値は、8 桁の有効数字の範囲内で一致しています。[ 29 ]しかし、ミューオンの結果は問題があり、標準模型と実験の間に小さな持続的な不一致があることを示唆しています。
標準模型では、左巻きの荷電レプトンと左巻きのニュートリノは二重項として配置されている。これは 、 弱いアイソスピンSU(2)ゲージ対称性のスピノル表現( T = 1/2 )で変換される。これは、これらの粒子が、それぞれ固有値 + + 1/2 と − + 1/2 を持つアイソスピン射影T 3 の固有状態である こと を意味する。一方、右巻き荷電レプトンは弱いアイソスピンスカラー( T = 0 )として変換されるため、弱い相互作用には関与せず、右巻きニュートリノが存在するという証拠は全くない。
ヒッグス機構は、弱いアイソスピンSU(2)対称性と弱いハイパーチャージU(1)対称性のゲージ場を再結合して、3つの質量を持つベクトルボソン( W +、W −、Z 0）弱い相互作用を媒介する粒子と、電磁相互作用を担う質量ゼロのベクトルボソンである光子（γ）からなる。電荷Qは、アイソスピン射影T3と弱いハイパーチャージYWからゲルマン・西島公式を用いて計算できる。
すべての粒子について観測された電荷を復元するためには、左巻きの弱いアイソスピン二重項（ν eL、 e − L）はY W = −1でなければならず、右巻きのアイソスピンスカラーe − R はY W = −2でなければならない。レプトンと質量を持つ弱い相互作用ベクトルボソンとの相互作用は、右の図に示されている。
標準模型では、各レプトンは最初は固有質量を持たない。荷電レプトン（すなわち電子、ミューオン、タウ）はヒッグス場との相互作用によって有効質量を得るが、ニュートリノは質量を持たないままである。技術的な理由から、ニュートリノの質量がゼロであるということは、クォークの場合のように、異なる世代の荷電レプトンが混合しないことを意味する。ニュートリノの質量がゼロであることは、現在の質量の直接的な実験観測とよく一致している。[ 30 ]
しかし、間接的な実験、特に観測されたニュートリノ振動[ 31 ]から、ニュートリノはゼロでない質量を持ち、おそらく1000μm未満であることがわかっている。2 eV/ c 2 。[ 32 ]これは、標準模型を超える物理の存在を示唆している。現在最も有力な拡張は、いわゆるシーソー機構であり、左巻きニュートリノが対応する荷電レプトンに比べて非常に軽い理由と、右巻きニュートリノがまだ観測されていない理由の両方を説明する。
各世代の弱いアイソスピン二重項のメンバーには、標準模型の下で保存されるレプトン数が割り当てられます。 [ 33 ]電子と電子ニュートリノは電子数L e = 1を持ち、ミューオンとミューニュートリノはミューオン数L μ = 1を持ち、タウ粒子とタウニュートリノはタウオン数L τ = 1を持ちます。反レプトンは、それぞれの世代のレプトン数 −1 を持ちます。
レプトン数保存則とは、粒子が相互作用する際に、同じ種類のレプトンの数が変化しないことを意味します。これは、レプトンと反レプトンが同一世代のペアで生成されなければならないことを示しています。例えば、レプトン数保存則の下では、以下のプロセスが許容されます。
しかし、これらのどれでもない。
しかし、ニュートリノ振動は個々のレプトン数の保存則を破ることが知られています。このような破れは、標準模型を超える物理学の決定的な証拠と考えられています。より強力な保存則は、レプトンの総数（添え字なしのL ）の保存則であり、ニュートリノ振動の場合でも保存されますが、それでもカイラル異常によってわずかに破られます。
レプトンとあらゆる種類のゲージボソンの結合はフレーバーに依存しない。レプトンとゲージボソンの相互作用は、どのレプトンについても同じ値となる。[ 33 ]この性質はレプトン普遍性と呼ばれ、ミューオンとタウの寿命、およびZボソンの部分崩壊幅の測定において、特にスタンフォード線形衝突型加速器（SLC）および大型電子陽電子衝突型加速器（LEP）実験で検証されている。[ 34 ] : 241–243 [ 35 ] : 138
崩壊率（）のプロセスμ −→ e −+ νe +νμは近似的に次の形式の式で与えられます (詳細はミューオン崩壊を[33]
ここで、K 2はある定数であり、GFはフェルミ結合定数である。τ −過程によるタウ粒子の崩壊率は→ e −+ νe +ντは同じ形式の式で与えられる[33]
ここでK 3は別の定数です。ミューオン-タウオン普遍性はK 2 ≈ K 3を意味します。一方、電子-ミューオン普遍性は[ 33 ]を意味します。
タウ崩壊の電子モード（17.82％）とミューオンモード（17.39％）の分岐比は、最終状態のレプトンの質量差により等しくない。[ 21 ]
普遍性はミューオンとタウの寿命の比率も説明する。レプトンの（と= " μ "または" τ ")は[ 33 ]によって崩壊率と関係付けられる。
どこは分岐比を表し、はプロセスの共鳴幅を表しますxとyは「e」または「μ」または「τ 」からの2つの異なる粒子に置き換えられます。
タウとミューオンの寿命の比は次のように与えられる[ 33 ]
2008年の素粒子物理学レビューの値を用いて、ミューオン[ 19 ]とタウ[ 21 ]の分岐比を求めると、寿命比は～となる。 1.29 × 10 −7は、測定された寿命比に匹敵する。 1.32 × 10 −7。この差は、K 2とK 3が実際には定数ではないことに起因します。これらは、関与するレプトンの質量にわずかに依存します。
LHCb、BaBar、Belle実験によって行われたB中間子崩壊におけるレプトン普遍性の最近のテストでは、標準模型の予測からの一貫したずれが示されています。しかし、統計的および系統的な有意性の組み合わせは、新しい物理の観測を主張するにはまだ十分ではありません。[ 36 ]
2021年7月、W崩壊をテストしたレプトンフレーバー普遍性の結果が発表された。LEPによる以前の測定ではわずかな不均衡が見られたが、ATLASコラボレーションによる新しい測定では精度が2倍になり、比率が得られた。これは、標準模型の予測値である1と一致する。[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] 2024年にATLASコラボレーションによるプレプリントで、新しい値が発表された。これまでのところ、レプトンフレーバー普遍性を検証する上で最も正確な比率である。[ 40 ] [ 41 ]
