Los Leptones

Los leptones y los quarks son los bloques de construcción básicos de la materia, es decir, que son vistos como las "partículas elementales". Hay seis leptones en la estructura actual, el electrón, el muón, las partículas tau y sus neutrinos asociados. Las diferentes variedades de las partículas elementales se denominan comúnmente "sabores", y los neutrinos aquí se considera que tienen sabores distintivamente diferentes.

Los principios importantes para todas las interacciones de partículas son, la conservación del número de leptones y la conservación del número bariónico.

Ahora que tenemos evidencia experimental de seis leptones, una pregunta pertinente es "¿Hay más?". El modelo estándar actual supone que no hay más de tres generaciones. Una de las piezas de la evidencia experimental de esto, es la abundancia de la proporción de hidrógeno/helio medida en el universo. Cuando se modela el proceso de nucleosíntesis del Big Bang, el número de tipos de neutrinos afecta a la abundancia de helio. La abundancia observada está de acuerdo con tres tipos de neutrinos.

El Electrón y el Positrón

El electrón como uno de los leptones, es considerado como una de las partículas fundamentales. Es un fermión de espín 1/2 y por lo tanto está limitado por el principio de exclusión de Pauli, un hecho que tiene implicaciones importantes en la construcción de la tabla periódica de elementos.

El positrón, la antipartícula del electrón, es idéntico en masa, pero tiene una carga positiva. Si un electrón y un positrón se encuentran entre sí, se aniquilan produciendo dos rayos gamma. Por otra parte, uno de los mecanismos para la interacción de la radiación con la materia, es la producción del par electrón-positrón. Asociado con el electrón está el neutrino electrónico.

El Muón

El muón es un leptón que decae para formar un electrón o un positrón.

El hecho de que el decaimiento de arriba es un decaimiento de tres partículas es un ejemplo de la conservación del número de leptones; en el decaimiento debe haber un neutrino electrónico y un neutrino muón o un antineutrino.

El tiempo de vida del muón es 2,20 microsegundos. El muón se produce en la atmósfera superior por el decaimiento de piones producidos por rayos cósmicos:

La medición del flujo de muones de los rayos cósmicos originados a diferentes alturas sobre la tierra, es un importante experimento de la dilatación del tiempo en la relatividad.

Los muones constituyen más de la mitad de la radiación cósmica a nivel del mar, siendo el resto principalmente electrones, positrones y fotones de eventos en cascada. (Richtmyer). El flujo de muones promedio a nivel del mar, es de aproximadamente 1 muón por centímetro cuadrado por minuto

La Partícula Tau

La partícula tau es la más masiva de los leptones, tiene una masa en reposo de unas 3.490 veces la masa del electrón, que también es un leptón. Su masa es unas 17 veces mayor que la del muón, el otro leptón masivo.

Aniquilación del Positrón

El positrón es la antipartícula del electrón, cuando un positrón entra en cualquier materia normal, encontrará una abundante fuente de electrones con los que aniquilarse. La energía liberada por la aniquilación forma dos rayos gamma de alta energía, y tomando los momento de los positrones y electrones antes de la aniquilación, los dos fotones de rayos gamma deben viajar en direcciones opuestas con el fin de conservar el momento.

Estos rayos gamma coincidentes a 180 grados proporcionan una herramienta de análisis útil. Por un lado, la eliminación de todos los eventos gamma que no son coincidentes a 180 grados, mejora la relación señal-ruido de los experimentos que utilizan la aniquilación de positrones. Otra aplicación interesante es el uso de los rayos gammas coincidentes, para localizar la fuente por retro-proyección. Esto se utiliza en medicina en los escáneres PET.

Producción de Pares Electrón-Positrón

Cuando un fotón tiene una energía cuántica más alta que la energía de masa en reposo de un electrón más un positrón, una de las maneras que tal fotón interactúa con la materia es mediante la producción de un par electrón-positrón.

La energía de masa en reposo del electrón es 0,511 MeV, así que por encima de 1,022MeV de energía fotónica, es posible la producción de pares. Para energías de fotón muy por encima de este umbral, la producción de pares se convierte en el modo dominante de la interacción de los rayos X y los rayos gamma con la materia.

Propiedades de los Leptones