leptón

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Los leptones son pequeños ladrillos de materia que no sienten la interacción nuclear fuerte. El más conocido es el electrón, que orbita alrededor del núcleo en los átomos. También existen los esquivos neutrinos, que atraviesan la Tierra sin apenas notarla.

History

El electrón fue descubierto por J. J. Thomson en 1897. El muón fue detectado por Carl Anderson en 1936 e inicialmente se le tomó por un mesón. El tauón se descubrió en 1975 en el Acelerador Lineal de Stanford. Los neutrinos se registraron por primera vez en 1956. Wolfgang Pauli había predicho la existencia del neutrino en 1930.

How it works

Los leptones se manifiestan en desintegraciones y colisiones. El muón, un primo pesado del electrón, vive un par de microsegundos y se desintegra en un electrón y neutrinos. Los neutrinos oscilan, cambiando su sabor en el camino, como un camaleón cambia de color. Todo esto está regulado por la interacción débil, y para los cargados, también por el electromagnetismo.

💡 Cada día, a través de tu uña pasan alrededor de 10¹¹ neutrinos provenientes del Sol, pero no sientes nada: tan fantasmales son los leptones.

En el Modelo Estándar, los leptones son fermiones fundamentales con espín 1/2, que no participan en interacciones fuertes. Hay seis sabores: electrón (e⁻), muón (μ⁻), tauón (τ⁻) y los correspondientes neutrinos (ν_e, ν_μ, ν_τ). Cada leptón cargado lleva una carga -1e, y los neutrinos son neutros. El número leptónico se conserva por generaciones en forma axial en el Modelo Estándar, pero las oscilaciones de neutrinos violan el número leptónico por sabores. Las masas de los neutrinos son extremadamente pequeñas, lo que apunta a física más allá del Modelo Estándar.

History

J. J. Thomson identificó el electrón como partícula en 1897, midiendo su relación e/m. El muón fue descubierto en 1936 en rayos cósmicos y al principio se confundió con el mesón de Yukawa. El tauón fue registrado por el grupo de Martin Perl en 1975. La existencia del neutrino fue postulada por Wolfgang Pauli en 1930 para salvar la ley de conservación de la energía en la desintegración beta; el neutrino fue capturado por primera vez por Reines y Cowan en 1956.

How it works

Los leptones interactúan mediante la interacción débil (intercambio de bosones W±, Z), y los cargados también electromagnéticamente (fotón). La ecuación de Dirac describe los leptones cargados libres. Las oscilaciones de neutrinos requieren masa no nula y mezcla, descrita por la matriz Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata. Los leptones cargados son estables (electrón) o se desintegran por interacción débil (muón, tauón). El principio de Pauli prohíbe que dos leptones idénticos ocupen el mismo estado cuántico, lo que determina la estructura de los átomos y las estrellas de neutrones.

i\hbar \gamma^\mu \partial_\mu \psi - m c \psi = 0

ψ — espinor de cuatro componentes del campo leptónico, i — unidad imaginaria, ħ — constante de Planck reducida (ħ ≈ 1.05×10⁻³⁴ J·s), γ^μ — matrices de Dirac (4×4), ∂_μ — derivada parcial respecto a las coordenadas, m — masa del leptón, c — velocidad de la luz (c ≈ 3×10⁸ m/s).

Open problems & fun facts

¿Por qué existen tres generaciones de leptones y cuál es su jerarquía de masas?; ¿Son los neutrinos partículas de Dirac o de Majorana (materia y antimateria idénticas o no)?; ¿Cuál es la escala absoluta de masas de los neutrinos y existe el neutrino estéril?; Unificación de leptones y quarks en teorías de Gran Unificación.

💡 En observatorios de neutrinos como IceCube, se usa un kilómetro cúbico de hielo antártico para captar el destello de una sola colisión de un neutrino con un átomo.

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