Definición de Leptón

Ángel Zamora Ramírez
Licenciado en Física

Los leptones constituyen una clase de partículas elementales conforme el Modelo Estándar de la Física de Partículas, y se identifican en el grupo familiar de los fermiones. Los leptones junto con los quarks son los bloques que forman la materia.

La familia de los leptones está conformada por los electrones que forman los átomos, así como los muones y las partículas tau. Cada una de estas partículas tiene un tipo de neutrino asociado. Nosotros estamos constantemente siendo bombardeados por neutrinos que provienen del Sol y de supernovas.

Breve historia de los leptones

El primer leptón en ser descubierto fue el electrón. Este hallazgo fue hecho por J. J. Thomson en 1897 gracias a sus experimentos con rayos catódicos. Thomson se percató que los rayos catódicos se desviaban en presencia de campos eléctricos y magnéticos, lo cual indicaba que estos estaban hechos de cargas eléctricas y concluyó que su carga tenía que ser negativa. Thomson llamó a estas partículas “electrones” y más adelante le ayudarían a diseñar su modelo atómico.

En los años posteriores se descubrieron nuevos procesos de decaimiento radioactivo, entre estos se encontraba el decaimiento β^+. En este proceso un protón decaía en un neutrón y un positrón. Sin embargo, pronto se hizo evidente que este proceso parecía violar las leyes de conservación. En 1930 Wolfgang Pauli propondría la existencia de una partícula neutra, muy ligera y de spin 1⁄2 para asegurar la conservación de la energía, del momento y del momento angular. Más tarde se acuñaría el nombre de “neutrino” para referirse a estas partículas.

En 1936 Carl D. Anderson y Seth Neddermeyer estudiando rayos cósmicos descubrieron una partícula de carga negativa como el electrón, pero con una masa intermedia entre el protón y electrón. En un principio se creía que se trataba de un mesón, no obstante, más tarde se dieron cuenta que se trataba de una partícula elemental perteneciente a la familia de los leptones y se le nombró “muón”. Hacía la década de 1960, Leon M. Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger demostraron que existía otro tipo de neutrino asociado al muón, es decir, el neutrino muónico.

La partícula tau, o tauón, fue descubierta gracias a una serie de experimentos que se realizaron durante la década de 1970 en el acelerador lineal de Stanford y que fueron liderados por Martin Lewis. Basándose en los hallazgos del electrón, el muón y sus neutrinos, rápidamente se propuso la existencia de un nuevo tipo de neutrino asociado a la partícula tau. Este tipo de neutrino fue observado por primera vez en el año 2000 en Fermilab.

Propiedades generales de los leptones

Los leptones pertenecen a la familia de los fermiones, de tal manera que obedecen la Estadística de Fermi – Dirac y cumplen con el Principio de Exclusión de Pauli. Esta es la razón por la cual los electrones se organizan en niveles específicos de energía en el átomo. Los leptones, a diferencia de los quarks, carecen de carga de color, por lo tanto, no pueden interaccionar por medio de la fuerza nuclear fuerte.

Todos los leptones tienen spin con un valor de 1⁄2. Los electrones, los muones y los tauones tienen una carga eléctrica negativa de -1. Los neutrinos, como su nombre lo indican, carecen de carga eléctrica. Además, los neutrinos son mucho más ligeros que el resto de leptones.

Cómo los muones ayudaron a comprobar la Relatividad Especial

Los muones son partículas fundamentales que surgen de la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera terrestre, esto ocurre a una altura aproximada de 10 km. Los muones son partículas inestables que tienen un tiempo de vida promedio de 2.2 μs, es decir, poco más de 2 millonésimas partes de un segundo. La velocidad promedio a la que viajan los muones después de aparecer en la atmósfera representa el 99% de la velocidad de la luz.

Con esta información podemos calcular la distancia que podría viajar un muón durante su tiempo promedio de vida, dándonos un resultado de aproximadamente 650 m. Esto implica que nosotros no deberíamos de observar muchos muones en la superficie terrestre, sin embargo, la realidad es que se puede observar un gran número de estas partículas con detectores en tierra. Esta aparente discrepancia entre los cálculos y las observaciones se conoció como “Paradoja del Muón”.

Esta paradoja se resuelve de manera muy simple haciendo uso de la relatividad especial de Albert Einstein. La teoría de la relatividad especial nos dice que para un observador que viaja a una velocidad comparable con la velocidad de la luz, el tiempo pasa más lento para dicho observador en comparación con otro observador externo en reposo, este fenómeno se conoce como “dilatación temporal”. Pero no sólo eso, para el observador en movimiento también su percepción del espacio se ve afectada y las distancias se contraen.

Al hacer las correcciones relativistas, nos percatamos que debido a su velocidad muy cercana a la de la luz, el tiempo de vida promedio del muón en el marco de referencia de la Tierra se dilata hasta casi los 16 μs, lo cuál basta para que algunos muones tengan el tiempo suficiente para llegar hasta la superficie. Pero no sólo esto, desde el punto de vista del muón los 10 km. de altura se contraen hasta sólo 1.4 km., esto hace que muchos muones en su tiempo de vida promedio puedan alcanzar la superficie. Esta fue una de las primeras comprobaciones experimentales de la Relatividad Especial.

Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Maestro en Ciencias en Ingeniería y Física Biomédicas egresado del CINVESTAV. Amante de la divulgación científica.

Trabajo publicado en: Jul., 2023.

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