轻子

轻子是不参与强相互作用的基本费米子。在粒子物理学的标准模型中，轻子与夸克并列，构成基本物质粒子的两大类别。已知的六种轻子味分别是电子、μ子、τ子，以及与它们对应的三种中微子。轻子被视为没有内部组成成分的粒子，而非质子或中子那样的复合粒子。以约化普朗克常数为单位，所有轻子的自旋角动量均为½。(nobelprize.org)

分类与世代

轻子分为三个世代，每一代都包含一种带负电的粒子和一种电中性的中微子。这种排列与夸克的三个世代相对应。带电轻子的电荷均为−e，其中e表示元电荷的大小，但它们的质量差异很大。与它们对应的中性粒子分别称为电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。(home.web.cern.ch)

“味”指的是粒子的种类，而不是感官属性。在实验中，中微子的味与弱相互作用中产生或吸收的带电轻子相对应。电子中微子可以在适当的相互作用中产生电子，而μ子中微子则可以产生μ子。中微子的探测依靠这些相互作用产物，而不是直接观察孤立的中微子。(neutrinos.fnal.gov)

带电轻子各有一种与自身不同、带正电的反粒子。电子的反粒子是正电子；μ子和τ子对应的反粒子分别为正μ子和正τ子。中微子与反中微子的相互作用行为不同，但它们在本质上是否为不同的粒子，仍未有定论。(hst-archive.web.cern.ch)

相互作用与基本粒子性质

轻子不具有色荷，即与强相互作用相关的荷。因此，它们不会像夸克那样形成由强相互作用束缚的复合粒子。轻子的定义性特征是不参与强相互作用，而不是质量小：τ子的质量远大于若干种参与强相互作用的粒子。(hst-archive.web.cern.ch)

所有已知轻子都参与弱相互作用。带电轻子还参与电磁学所描述的电磁相互作用，其力的传递粒子是光子。中微子不带电荷，不会通过通常的电荷相互作用与光子耦合。标准模型在电弱相互作用的统一框架下描述这些电磁过程和弱相互作用过程。引力并未纳入标准模型，但轻子同样受到引力的影响。(home.web.cern.ch)

带电轻子具有相同的电弱耦合结构，这一性质称为**轻子普适性**。这并不意味着实验观测到的衰变率完全相同：质量不同会改变可产生的末态及运动学条件。比较涉及电子、μ子和τ子的过程时，必须考虑这些差异。此类比较可用于检验标准模型，并寻找额外的相互作用。(home.cern)

质量与衰变

电子的质量约为0.511 MeV/c²。μ子的质量约为电子的207倍，静止时的平均寿命约为2.197微秒。电子在标准模型中是稳定的，而μ子和τ子会发生弱衰变。它们较大的质量使其能够产生自由电子无法产生的末态。(pdg.lbl.gov)

负μ子的主要衰变方式为

τ子可以衰变为电子或μ子，并伴随产生中微子；也可以衰变为强子和一个τ子中微子。τ子的强子衰变并不意味着τ子本身参与强相互作用：这一衰变通过弱相互作用发生，而产生的夸克和强子则参与强相互作用过程。(pdg.lbl.gov)

描述中微子的质量时需要更加谨慎。三种味态并不等同于具有确定质量的状态。中微子振荡，即中微子传播过程中探测到不同味的概率发生变化，表明中微子的质量不可能全部为零。这一观测结果超出了最初的最小标准模型，因为该模型将中微子的质量设为零。(nobelprize.org)

轻子数与味

**轻子数**是一种量子数记账约定，规定轻子的轻子数为+1，反轻子的轻子数为−1。在μ子衰变等常见弱衰变中，轻子数守恒。分别定义的电子、μ子和τ子家族数也有助于描述许多反应，但中微子振荡表明，单独的中微子味在传播过程中并不守恒。味的变化不应与总轻子数不守恒混为一谈。(arxiv.org)

总轻子数是否严格守恒，仍有待实验回答。如果中微子是自身的反粒子，那么它们就是马约拉纳粒子，并允许发生违反轻子数守恒的过程。寻找无中微子双贝塔衰变的实验正在探索这一可能性；在这种衰变中，原子核发射两个电子，却不伴随产生中微子。(arxiv.org)

发现历程

电子于1897年被发现，μ子则于1936年在宇宙射线研究中被确认。1930年，沃尔夫冈·泡利提出存在一种中性粒子，以解释贝塔衰变中缺失的能量和角动量。1956年，克莱德·科温和弗雷德里克·莱因斯探测到了来自核反应堆的电子反中微子。μ子中微子于1962年被发现，由此证实，与不同带电轻子对应的中微子可以彼此区分。(neutrinos.fnal.gov)

马丁·佩尔及其合作者于1975年发现了τ子。2000年7月21日，费米实验室的DONUT合作组宣布获得了τ子中微子相互作用的首个直接证据。佩尔和莱因斯因在轻子物理学方面的实验贡献，具体而言是发现τ子和探测到中微子，共同获得了1995年诺贝尔物理学奖。(nobelprize.org)