Leptoni

I leptoni sono particelle elementari che non sono sensibili all'interazione forte ma sono coinvolti nell’interazione debole, elettromagnetica (se carichi) e gravitazionale. Appartengono alla famiglia dei fermioni, poiché possiedono spin semi-intero (spin 1/2).

Si distinguono dai quark che, invece, sono sensibili a tutte e quattro le interazioni fondamentali.

Il termine “leptone” deriva dal greco "leptós" (λεπτός), che significa “leggero” o “piccolo”.

Nota. Questo nome fu scelto per indicare la massa relativamente bassa del primo leptone scoperto: l’elettrone. Il termine fu introdotto nel XX secolo per distinguere queste particelle da altre più massicce come i barioni (protoni, neutroni), che erano noti fin dall’inizio della fisica nucleare. Si notò che l’elettrone aveva una massa molto inferiore. A oggi conosciamo sei leptoni, suddivisi in tre generazioni, ciascuna composta da un leptone carico e dal corrispondente neutrino. Inoltre, sappiamo che non tutti i leptoni sono leggeri, ad esempio il tauone (τ) è molto più pesante del protone. Tuttavia, il nome è rimasto per ragioni storiche e convenzionali.

I leptoni sono fondamentali in molti processi, come il decadimento beta e le reazioni nucleari nel Sole.

Le classi

I leptoni si dividono in due classi

• Leptoni elettricamente carichi
  Tra questi c'è l'elettrone (e⁻), il muone (μ⁻), il tauone(τ⁻) e le rispettive antiparticelle I leptoni carichi sono soggetti alla forza elettromagnetica, oltre che a quella debole e gravitazionale. Condividono la stessa carica elettrica negativa, ma si differenziano per massa e stabilità.  Solo l'elettrone non è soggetto a decadimento.
  • Elettrone (e⁻) ha una massa ≈ 0,511 MeV/c², è stabile e costituisce la componente esterna degli atomi.
  • Muone (μ⁻) ha una massa ≈ 105 MeV/c² (circa 200 volte quella dell'elettrone), è instabile, decade in un elettrone e due neutrini in ~2,2 μs.
  • Tauone (τ⁻) ha una massa ≈ 1777 MeV/c² (circa 17 volte quella del muone), è ancora più instabile con vita media ancora più breve. Il tempo di decadimento è rapidissimo (~10⁻¹³ s)
• Leptoni neutri
  Ogni leptone carico ha un neutrino corrispondente. Tra questi c'è il neutrino elettronico (νₑ), il neutrino muonico (ν_μ), il neutrino tauonico (ν_τ) e le rispettive antiparticelle. I neutrini sono leptoni neutri, privi di carica elettrica e con massa estremamente piccola. Per lungo tempo furono considerati privi di massa, ma oggi sappiamo che possiedono una massa, seppure molto piccola.

Le generazioni dei leptoni

I leptoni elettricamente carichi e neutri formano tre generazioni, ciascuna generazione è una coppia leptone-neutrono.

Ad esempio, l'elettrone e il neutrino elettronico formano una generazione. Il muone e il neutrino muonico formano un'altra generazione.

Le generazioni successive alla prima (quella dell’elettrone) sono instabili e si manifestano solo in condizioni energetiche elevate, come nelle collisioni nei grandi acceleratori di particelle.

Il numero leptonico

I numeri leptonici sono tre quantità intere che si conservano nelle interazioni, una per ogni famiglia di leptoni:

• Numero leptonico elettronico (L_e)
• Numero leptonico muonico (L_μ)
• Numero leptonico tauonico (L_τ)​

Ogni leptone ha numero leptonico +1 mentre ogni antileptone ha numero leptonico −1

Particella	Famiglia	Tipo	Le	Lμ	Lτ	Numero leptonico totale
e- (elettrone)	Elettronica	Leptone	+1	0	0	+1
νe (neutrino elettronico)	Elettronica	Leptone	+1	0	0	+1
e+ (positrone)	Elettronica	Antileptone	−1	0	0	−1
ν̅e (antineutrino elettronico)	Elettronica	Antileptone	−1	0	0	−1
μ- (muone)	Muonica	Leptone	0	+1	0	+1
νμ (neutrino muonico)	Muonica	Leptone	0	+1	0	+1
μ+ (antimuone)	Muonica	Antileptone	0	−1	0	−1
ν̅μ (antineutrino muonico)	Muonica	Antileptone	0	−1	0	−1
τ- (tauone)	Tauonica	Leptone	0	0	+1	+1
ντ (neutrino tauonico)	Tauonica	Leptone	0	0	+1	+1
τ+ (antitauone)	Tauonica	Antileptone	0	0	−1	−1
ν̅τ (antineutrino tauonico)	Tauonica	Antileptone	0	0	−1	−1

I numeri leptonici servono a contare quanti leptoni (come elettroni, muoni e tau) ci sono in una reazione.

Di solito, il numero totale di leptoni di ogni tipo rimane lo stesso prima e dopo la reazione: si dice che questi numeri sono conservati.

Questo vale sempre per le interazioni elettromagnetiche e per quelle forti.

Nota. Nelle interazioni deboli, invece, può succedere che un tipo di neutrino si trasformi in un altro (si chiama oscillazione): in questi casi, il numero di leptoni di una singola famiglia può non essere conservato. Ma la somma totale di tutti i leptoni e antileptoni resta comunque la stessa.

Tutte le altre particelle (quark, bosoni, adroni) hanno numero leptonico zero

La differenza tra leptoni e quark

Sia i leptoni che i quark sono particelle elementari che appartengono alla famiglia dei fermioni, perché hanno spin semi intero (1/2). Quindi, rispettano la statistica di Fermi-Durac e il principio di Pauli.

Tuttavia, i quark sono influenzati dalla forza forte mentre i leptoni no.

Quindi, i quark interagiscono tra loro all'interno di particelle più grandi (adroni e mesoni) mentre i leptoni esistono allo stato libero.

Caratteristica	Quark	Leptoni
Interazione forte	Sì (partecipano)	No (non partecipano)
Stato libero	No (confinati all’interno di adroni)	Sì (possono esistere isolati)
Ruolo nella materia	Costituiscono protoni e neutroni	Costituiscono elettroni e neutrini
Particelle composte	Sì (formano adroni come protoni e neutroni)	No (sono particelle elementari isolate)
Carica elettrica	Frazionaria (+2/3 o -1/3)	Intera (-1) o nulla (0)
Numero di tipi	6 (in 3 generazioni)	6 (in 3 generazioni)
Spin	1/2 (fermioni)	1/2 (fermioni)

E così via.