Leptones
Los leptones son partículas elementales que no interactúan mediante la fuerza nuclear fuerte, aunque sí están sometidas a la interacción débil, a la fuerza electromagnética (cuando poseen carga eléctrica) y a la gravedad. Forman parte de la familia de los fermiones, ya que presentan espín semientero (espín 1/2).
A diferencia de los quarks, los leptones no participan en las cuatro fuerzas fundamentales.
El término “leptón” procede del griego "leptós" (λεπτός), que significa “ligero” o “pequeño”.
Nota. El nombre se eligió en un inicio para reflejar la baja masa del primer leptón conocido: el electrón. El concepto se introdujo en el siglo XX para distinguir estas partículas de otras más pesadas, como los bariones (protones y neutrones), ya bien estudiados en la física nuclear temprana. La notable ligereza del electrón lo hacía resaltar. Hoy sabemos que existen seis tipos de leptones, distribuidos en tres generaciones, cada una integrada por un leptón cargado y su neutrino asociado. Curiosamente, no todos los leptones son ligeros: por ejemplo, el leptón tau (τ) es bastante más masivo que el protón. Sin embargo, la denominación “leptón” se ha mantenido por tradición histórica.
Los leptones resultan esenciales en numerosos procesos físicos, como el decaimiento beta o las reacciones de fusión nuclear que alimentan al Sol.
Categorías
Los leptones se agrupan en dos grandes categorías:
- Leptones cargados
Incluyen al electrón (e⁻), el muón (μ⁻), el tau (τ⁻) y sus antipartículas correspondientes. Los leptones cargados experimentan la interacción electromagnética, además de la fuerza débil y la gravedad. Todos poseen carga eléctrica negativa, pero difieren en masa y estabilidad. De todos ellos, solo el electrón es estable.- El electrón (e⁻) tiene una masa de unos 0.511 MeV/c². Es estable y constituye la corteza de los átomos.
- El muón (μ⁻) posee una masa de aproximadamente 105 MeV/c², unas 200 veces mayor que la del electrón. Es inestable y se desintegra en un electrón y dos neutrinos en apenas 2.2 μs.
- El tau (τ⁻) es todavía más masivo, con unos 1777 MeV/c², alrededor de 17 veces la masa del muón. Es altamente inestable y se desintegra en tan solo ~10⁻¹³ s.
- Leptones neutros
A cada leptón cargado le corresponde un neutrino: el neutrino electrónico (νₑ), el neutrino muónico (νμ) y el neutrino tau (ντ), junto con sus antipartículas. Los neutrinos son leptones neutros de masa extremadamente pequeña. Durante décadas se consideraron sin masa, aunque hoy sabemos que poseen una masa diminuta pero distinta de cero.
Generaciones de leptones
Los leptones cargados y neutros se organizan en tres generaciones. Cada una de ellas empareja un leptón cargado con su neutrino correspondiente.
Así, el electrón y el neutrino electrónico constituyen la primera generación; el muón y el neutrino muónico forman la segunda.
La segunda y la tercera generaciones (muón y tau) son inestables y solo se producen en entornos de alta energía, como los generados en grandes aceleradores de partículas.
Número leptónico
Existen tres tipos de números leptónicos, cada uno asociado a una familia de leptones. Estos números se conservan en las interacciones de partículas:
- Número leptónico electrónico (Le)
- Número leptónico muónico (Lμ)
- Número leptónico tau (Lτ)
Cada leptón tiene número leptónico +1; cada antileptón, −1.
El número leptónico sirve para llevar la cuenta de los leptones (electrones, muones y taus) presentes en una reacción.
En la mayoría de las interacciones, el número total de leptones de cada tipo se mantiene constante: este principio se denomina conservación del número leptónico.
Dicha conservación se cumple siempre en las interacciones electromagnéticas y en las fuertes.
Nota. En las interacciones débiles, en cambio, los neutrinos pueden cambiar de tipo - un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos - . En estos casos, los números leptónicos de cada familia pueden no conservarse, aunque la suma total de leptones y antileptones permanece invariable.
El resto de las partículas - quarks, bosones, hadrones - tienen número leptónico igual a cero.
¿En qué se diferencian los leptones de los quarks?
Leptones y quarks son ambos fermiones fundamentales: poseen espín 1/2 y obedecen las estadísticas de Fermi-Dirac y el principio de exclusión de Pauli.
La diferencia fundamental es que los quarks sienten la interacción fuerte, mientras que los leptones no.
En consecuencia, los quarks se combinan para formar partículas compuestas (hadrones y mesones), mientras que los leptones existen como partículas libres en la naturaleza.
| Propiedad | Quarks | Leptones |
|---|---|---|
| Interacción fuerte | Sí (participan) | No (no participan) |
| Estado libre | No (confinados en hadrones) | Sí (pueden existir de forma independiente) |
| Papel en la materia | Constituyen protones y neutrones | Constituyen electrones y neutrinos |
| Partículas compuestas | Sí (p. ej., protones, neutrones) | No (son elementales) |
| Carga eléctrica | Fraccionaria (+2/3 o −1/3) | Entera (−1 o 0) |
| Número de tipos | 6 (en 3 generaciones) | 6 (en 3 generaciones) |
| Espín | 1/2 (fermiones) | 1/2 (fermiones) |
Y así sucesivamente.
