Leptons

Les leptons sont des particules élémentaires qui n’interagissent pas par l’interaction nucléaire forte, mais qui sont soumises à l’interaction faible, à l’interaction électromagnétique (si elles portent une charge électrique) ainsi qu’à la gravitation. Elles appartiennent à la famille des fermions, car elles possèdent un spin demi-entier (spin 1/2).

Contrairement aux quarks, les leptons ne participent donc pas à l’ensemble des quatre interactions fondamentales.

Le mot « lepton » vient du grec « leptós » (λεπτός), qui signifie « léger » ou « mince ».

Remarque. Le terme fut choisi à l’origine pour souligner la faible masse du premier lepton identifié : l’électron. La notion fut introduite au XXᵉ siècle afin de distinguer ces particules d’autres, beaucoup plus massives, comme les baryons (protons et neutrons), déjà bien connus en physique nucléaire. La légèreté exceptionnelle de l’électron justifiait cette appellation. Aujourd’hui, nous savons qu’il existe six leptons, répartis en trois générations, chacune composée d’un lepton chargé et de son neutrino associé. Fait remarquable, tous ne sont pas « légers » : le tau (τ) est par exemple bien plus massif qu’un proton. L’appellation « lepton » a néanmoins été conservée par tradition historique.

Les leptons jouent un rôle central dans de nombreux processus physiques, tels que la désintégration bêta ou les réactions de fusion nucléaire qui alimentent le Soleil.

Catégories

On distingue deux grandes catégories de leptons :

• Leptons chargés
  Ils regroupent l’électron (e⁻), le muon (μ⁻), le tau (τ⁻) ainsi que leurs antiparticules. Les leptons chargés subissent l’interaction électromagnétique, en plus de l’interaction faible et de la gravitation. Tous portent une charge électrique négative, mais diffèrent par leur masse et leur stabilité. Parmi eux, seul l’électron est stable.
  • L’électron (e⁻) a une masse d’environ 0,511 MeV/c². Stable, il constitue l’enveloppe électronique des atomes.
  • Le muon (μ⁻) a une masse d’environ 105 MeV/c², soit près de 200 fois celle de l’électron. Instable, il se désintègre en un électron et deux neutrinos en seulement 2,2 μs.
  • Le tau (τ⁻), encore plus massif, atteint environ 1777 MeV/c², soit près de 17 fois la masse du muon. Très instable, il se désintègre en ~10⁻¹³ s.
• Leptons neutres
  À chaque lepton chargé correspond un neutrino : le neutrino électronique (ν�'), le neutrino muonique (ν_μ) et le neutrino tau (ν_τ), ainsi que leurs antiparticules. Les neutrinos sont des leptons neutres dont la masse est extrêmement faible. Longtemps considérés comme sans masse, ils sont aujourd’hui connus pour en posséder une, certes minuscule mais non nulle.

Générations de leptons

Les leptons, chargés et neutres, s’organisent en trois générations. Chacune associe un lepton chargé et son neutrino correspondant.

Ainsi, l’électron et le neutrino électronique constituent la première génération, tandis que le muon et le neutrino muonique forment la deuxième.

Les deuxième et troisième générations (muon et tau) sont instables et n’apparaissent que dans des environnements de très haute énergie, comme ceux produits dans les grands accélérateurs de particules.

Nombre leptonique

Il existe trois nombres leptoniques, chacun associé à une famille de leptons. Ces nombres se conservent lors des interactions de particules :

• Nombre leptonique électronique (L_e)
• Nombre leptonique muonique (L_μ)
• Nombre leptonique tau (L_τ)

Chaque lepton porte un nombre leptonique +1 ; chaque antilepton, −1.

Le nombre leptonique sert à comptabiliser les leptons (électrons, muons et taus) présents dans une réaction donnée.

Dans la plupart des interactions, le nombre total de leptons de chaque type reste inchangé : c’est la loi de conservation du nombre leptonique.

Cette conservation est toujours respectée dans les interactions électromagnétiques et fortes.

Remarque. Dans les interactions faibles, en revanche, les neutrinos peuvent changer de saveur  - un phénomène connu sous le nom d’oscillation des neutrinos. Dans ce cas, les nombres leptoniques de chaque famille peuvent ne pas se conserver, bien que la somme totale des leptons et des antileptons reste constante.

Toutes les autres particules - quarks, bosons, hadrons - ont un nombre leptonique nul.

Quelle différence entre leptons et quarks ?

Leptons et quarks sont tous deux des fermions fondamentaux : ils possèdent un spin 1/2, suivent la statistique de Fermi-Dirac et obéissent au principe d’exclusion de Pauli.

La différence majeure est que les quarks ressentent l’interaction forte, tandis que les leptons n’y participent pas.

En conséquence, les quarks s’assemblent pour former des particules composites (hadrons et mésons), tandis que les leptons existent comme particules libres dans la nature.

Propriété	Quarks	Leptons
Interaction forte	Oui (ils y participent)	Non (ils n’y participent pas)
État libre	Non (confinés dans les hadrons)	Oui (existent isolés)
Rôle dans la matière	Constituent protons et neutrons	Constituent électrons et neutrinos
Particules composites	Oui (ex. : protons, neutrons)	Non (élémentaires)
Charge électrique	Fractionnaire (+2/3 ou −1/3)	Entière (−1 ou 0)
Nombre de types	6 (en 3 générations)	6 (en 3 générations)
Spin	1/2 (fermions)	1/2 (fermions)

Et ainsi de suite.