輕子 （Lepton）是一種不参與强相互作用 、自旋 为1/2的基本粒子。[ 1] 電子 是最為人知的一種輕子；大部分化學領域都會涉及到與電子的相互作用，原子不能沒有它，所有化學性質都直接與它有關。輕子又分為兩類：「帶電輕子」與「中性輕子」。帶電輕子包括電子、緲子 、陶子 ，可以與其它粒子組合成複合粒子，例如原子 、電子偶素 等等。 在所有帶電輕子中，電子的質量最輕，也是宇宙中最穩定、最常見的輕子；質量較重的緲子與陶子會很快地衰變成電子，緲子與陶子必須經過高能量碰撞製成，例如使用粒子加速器 或在宇宙線 探測實驗。中性輕子包括電中微子 、緲中微子 、陶中微子 ；它們很少與任何粒子相互作用，很難被觀測到。
輕子一共有六種風味 ，形成三個世代 。[ 2] − − 緲中微子 （陶子 （− 陶中微子 （
輕子擁有很多內秉性質，包括電荷 、自旋 、質量 等等。輕子與夸克 有一點很不相同：輕子不會感受到強作用力。輕子會感受到其它三種基礎力：引力、弱作用力、電磁力。但是，由於中微子的電性是中性，中微子不會感受到電磁力。每一種輕子風味都有其對應的反粒子，稱為「反輕子」。帶電輕子與對應的反輕子唯一不同之處是帶有電荷的正負號相反。根據某些理論，中微子是自己的反粒子，但這論點尚未被證實。
在標準模型 裏，輕子扮演重要角色，電子是原子的成分之一，與質子 、中子 共同組成原子 。在某些被合成的奇異原子 裏，電子被更換為緲子或陶子。像電子偶素 一類的輕子-反輕子粒子也可以被合成。
英文術語「lepton」源自希臘語 「λεπτόν 」（leptón ），是「λεπτός 」（leptós ）的中性，含意為"小、薄"。[ 3] 萊昂·羅森菲爾德 於1948年最先為英文術語「lepton」命名。 [ 4]
在克理斯蒂安·莫勒
這命名不正確地假定所有輕子的質量都很小。在洛森斐命名那時，學術界只知道有電子與緲子兩種輕子。它們的質量的確很小，電子的質量為6986818712184856999♠ 0.511 MeV [ 5] 6989169350054675900♠ 105.7 MeV[ 6] 6990150332219775210♠ 938.3 MeV[ 7] 6990284706761739900♠ 1777 MeV[ 8]
馬丁·佩爾與他的實驗團隊發現陶子。 最先被辨識的輕子是電子，英國物理學者約瑟夫·湯姆森 與實驗團隊於1897年發現電子。[ 9] [ 10] 沃爾夫岡·包立 大膽假設電中微子 存在，這是為了解釋β衰變 的能量缺失問題，挽救能量守恆定律 ；包立認為，所有最初與最終觀察到的粒子的能量差，都被一種尚未探測到的粒子帶走了，這粒子具有電中性，不會留下軌跡，所以很難探測到。[ 11] [ 12] 恩里科·費米 給出理論，成功描述β衰變 ，強力支持包立的假設。費米將這粒子命名為「中微子」，意思為「微小的中子」。在那時期，電中微子被稱為中微子，因為尚未發現其它世代 的中微子。1956年，克萊德·科溫 與弗雷德里克·萊因斯 共同完成科溫-萊因斯中微子實驗 [ 12] [ 13]
在電子被發現大約40年之後，卡爾·安德森 於1936年發現了緲子。由於它的質量，緲子最初被歸類為介子 ，而不是輕子。[ 14] [ 12] 利昂·萊德曼 、梅爾文·施瓦茨 與傑克·施泰因貝格爾 做實驗直接探測到緲中微子，證實不只一種中微子存在。[ 15]
馬丁·佩爾 與他的實驗團隊於1975年完成實驗首先探測到陶子。[ 16] 直接觀察陶中微子實驗 （Direct Observation of the NU Tau，DONUT ）團隊於2000年探測到陶中微子參與作用的證據。[ 17]
虽然現有數據符合三個世代的輕子，有些粒子物理學者仍在尋找第四代帶電輕子。這種帶電輕子的質量下限為6992161499389889600♠ 100.8 GeV [ 18] 6991720979419149999♠ 45.0 GeV [ 19]
右手螺旋性（
P
{\displaystyle \mathbf {P} }
S
{\displaystyle \mathbf {S} }
P
{\displaystyle \mathbf {P} }
S
{\displaystyle \mathbf {S} }
輕子是自旋1 ⁄2 自旋統計定理 將它們按照自旋歸類為費米子，遵守包立不相容原理 ，因此任何兩個全同的輕子不能同時佔有相同的量子態。[ 20] :28-29
手徵性 與螺旋性 （helicity）是與自旋緊密相關的兩種性質，螺旋性跟粒子的自旋與動量之間的相對方向有關；假若是同向，則粒子具有右手螺旋性，否則粒子具有左手螺旋性。對於不帶質量粒子，這相對方向與參考系無關，可是，對於帶質量粒子，由於可以藉著洛倫茲變換 來改換參考系，從不同的參考系觀察，粒子動量不同，因此翻改螺旋性，可以從右手螺旋性翻改為左手螺旋性，或從左手螺旋性翻改為右手螺旋性。手徵性是通過龐加萊群 （Poincaré group）的變換來定義的性質。對於不帶質量粒子，手徵性與螺旋性一致；對於帶質量粒子，手徵性與螺旋性有別。[ 21] :137-138, 338-340
在很多量子場論 裏，例如量子電動力學 與量子色動力學 ，並沒有對左手與右手費米子作任何區分，可是，在標準模型的弱相互作用理論裏，按照手徵性區分的左手與右手費米子被非對稱地處理，只有左手費米子參與弱相互作用，右手中微子不存在。這是宇稱違反 的典型例子。[ 21] :ch 9.7
輕子-光子相互作用。 輕子的電荷
Q
{\displaystyle Q}
Q
=
− − -->
1
{\displaystyle Q=-1}
Q
=
0
{\displaystyle Q=0}
−
使用量子場論 的語言，帶電輕子所涉及的電磁相互作用表達為這輕子與電磁場的量子（光子 ）彼此之間的相互作用。右圖是電子-光子相互作用的費曼圖 。
由於輕子具有自旋，帶電輕子會產生磁場，磁偶極矩
μ μ -->
{\displaystyle \mu }
μ μ -->
=
g
Q
e
ℏ ℏ -->
4
m
{\displaystyle \mu =g{\frac {Qe\hbar }{4m}}}
其中，
m
{\displaystyle m}
g
{\displaystyle g}
g-因數 （g-factor）。
一階近似量子力學預測，對於所有輕子，g-因數為2；可是高階量子效應，因為費曼圖裏的虛粒子圈對於這數字給出修正。這些修正，稱為反常磁偶極矩 （anomalous magnetic dipole moment），對於量子場論模型的細節非常敏感，因此是準確檢驗標準模型的好機會。對於電子測量其反常磁偶極矩所得到的實驗數值符合理論結果至8個有效數字。[ 22] :197
在標準模型裏，輕子可以按照手徵性分為左手輕子與右手輕子；左手輕子的弱同位旋 T為1 ⁄2 3 分別為-1 ⁄2 1 ⁄2 二重態 （doublet state）(L , − L ) 共同實現；右手帶電輕子的弱同位旋 T為0，形成單態，不參與弱相互作用；右手中微子並不存在。[ 21] :342-344
希格斯機制 將弱同位旋SU(2) 與弱超荷 U(1) 對稱的四個規範場 ，重新組合成傳遞弱相對作用的三個帶質量玻色子 （+ − 0 蓋爾曼-西島方程 ，可以從弱同位旋投影T 3 與弱超荷Y W 計算出電荷Q ：
Q
=
T
3
+
Y
W
/
2
{\displaystyle Q=T_{3}+Y_{W}/2}
為了符合觀察到的任何粒子所帶有的電荷，所有左手弱同位旋二重態(L , − L ) 的弱超荷Y W 必須為-1，而右手弱同位旋單態(− R ) 的弱超荷Y W 必須為-2。
在標準模型裏，每一個輕子原本不具有內秉質量；通過與希格斯場 耦合，帶電輕子獲得有效質量，但中微子仍舊不帶質量，這意味著不同世代的帶電輕子不會相互混合，與夸克的物理行為 大不相同。這結果符合當今實驗數據。[ 22] :27
但是，從實驗中得知（最顯著的是中微子振盪 實驗），[ 23] 6981320435297400000♠ 2 eV [ 24] 後標準模型 （beyond the Standard Model）的物理現象。當今最被物理學者青睞的理論延伸是翹翹板機制 ，它可以解釋為甚麼左手中微子的質量遠輕於對應的帶電輕子，為甚麼做實驗尚未能觀察到任何右手中微子。
每一代輕子的成員組成一個弱同位旋二重態：
(
ν ν -->
e
e
− − -->
)
{\displaystyle {\binom {\nu _{e}}{e^{-}}}}
(
ν ν -->
μ μ -->
μ μ -->
− − -->
)
{\displaystyle {\binom {\nu _{\mu }}{\mu ^{-}}}}
(
ν ν -->
τ τ -->
τ τ -->
− − -->
)
{\displaystyle {\binom {\nu _{\tau }}{\tau ^{-}}}}
每一代弱同位旋二重態的成員都被分派一個輕子數。在標準模型裏，輕子數守恆。[ 25] :27-49 電子與電中微子的電子數Le 為1。緲子與緲中微子的緲子數Lμ 為1。陶子與陶中微子的陶子數Lτ 為1。 反輕子的輕子數為對應輕子的輕子數乘以−1。
輕子數守恆的意思就是同類氫子數的代數和保持不變，當粒子耦合時；這意味著只有同一代的輕子與反輕子才能成對產生。例如，以下過程是被允許的：
− + − + 0 0 以下過程是不被允許的：
− + − − 0 − + 但是，中微子振盪 違反單獨輕子數守恆，這是後標準模型物理的確鑿證據。更強的守恆定律是總輕子數守恆。中微子振盪遵守總輕子數守恆。但是，手徵反常
輕子與對應的中微子之間的相互作用與風味 無關，換句話說，對於電子與電中微子之間的相互作用、緲子與緲中微子之間的相互作用、陶子與陶中微子之間的相互作用，假若將質量差別納入考量，則這三種相互作用的效應相等。這性質稱為輕子相互作用的「普適性」。所有已知實驗數據與這種普適性一致[ 25] :36-38 做實驗測量陶子與緲子的平均壽命 ，或Z玻色子 衰變為輕子的部分衰變寬度 ，可以檢驗這性質。在大型正负电子对撞机 與史丹福直線加速器 裏，完成了很多這類檢驗普適性的實驗。[ 26] :241-243 [ 27] :138
對於過程− − ν
Γ Γ -->
{\displaystyle \Gamma }
緲子衰變 ）[ 25] :36-38
Γ Γ -->
(
μ μ -->
− − -->
→ → -->
e
− − -->
+
ν ν -->
e
¯ ¯ -->
+
ν ν -->
μ μ -->
)
=
K
1
G
F
2
m
μ μ -->
5
{\displaystyle \Gamma \left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)=K_{1}G_{F}^{2}m_{\mu }^{5}}
其中，
K
1
{\displaystyle K_{1}}
G
F
{\displaystyle G_{F}}
費米耦合常數 ，
m
μ μ -->
{\displaystyle m_{\mu }}
對於過程− − ν
Γ Γ -->
{\displaystyle \Gamma }
Γ Γ -->
(
τ τ -->
− − -->
→ → -->
e
− − -->
+
ν ν -->
e
¯ ¯ -->
+
ν ν -->
τ τ -->
)
=
K
2
G
F
2
m
τ τ -->
5
{\displaystyle \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)=K_{2}G_{F}^{2}m_{\tau }^{5}}
其中，
K
2
{\displaystyle K_{2}}
m
τ τ -->
{\displaystyle m_{\tau }}
緲子-陶子普適性意味著
K
1
=
K
2
{\displaystyle K_{1}=K_{2}}
L
l
{\displaystyle L_{l}}
Γ Γ -->
{\displaystyle \Gamma }
L
l
=
1
Γ Γ -->
t
o
t
a
l
=
B
(
l
− − -->
→ → -->
e
− − -->
+
ν ν -->
e
¯ ¯ -->
+
ν ν -->
l
)
Γ Γ -->
(
l
− − -->
→ → -->
e
− − -->
+
ν ν -->
e
¯ ¯ -->
+
ν ν -->
l
)
{\displaystyle L_{l}={\frac {1}{\Gamma _{total}}}={\frac {B\left(l^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{l}\right)}{\Gamma \left(l^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{l}\right)}}}
其中，
B
(
x
→ → -->
y
)
{\displaystyle B(x\rightarrow y)}
Γ Γ -->
(
x
→ → -->
y
)
{\displaystyle \Gamma (x\rightarrow y)}
x
→ → -->
y
{\displaystyle x\rightarrow y}
共振寬度 。
陶子與緲子的壽命比因此為
L
τ τ -->
L
μ μ -->
=
B
(
τ τ -->
− − -->
→ → -->
e
− − -->
+
ν ν -->
e
¯ ¯ -->
+
ν ν -->
τ τ -->
)
B
(
μ μ -->
− − -->
→ → -->
e
− − -->
+
ν ν -->
e
¯ ¯ -->
+
ν ν -->
μ μ -->
)
(
m
μ μ -->
m
τ τ -->
)
5
{\displaystyle {\frac {L_{\tau }}{L_{\mu }}}={\frac {B\left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)}{B\left(\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\mu }\right)}}\left({\frac {m_{\mu }}{m_{\tau }}}\right)^{5}}
從實驗獲得的緲子分支比與陶子分支比，可以計算出壽命比為大約6993132800000000000♠ 1.328× 10−7 6993132299999999999♠ 1.323× 10−7
K
1
{\displaystyle K_{1}}
K
2
{\displaystyle K_{2}}
另外，由於電子-緲子普適性，陶子衰變為電子的分支比(17.85%) 與衰變為緲子的分支比 (17.36%) 相同（在誤差範圍內）：[ 8]
Γ Γ -->
(
τ τ -->
− − -->
→ → -->
e
− − -->
+
ν ν -->
e
¯ ¯ -->
+
ν ν -->
τ τ -->
)
=
Γ Γ -->
(
τ τ -->
− − -->
→ → -->
μ μ -->
− − -->
+
ν ν -->
μ μ -->
¯ ¯ -->
+
ν ν -->
τ τ -->
)
{\displaystyle \Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu _{e}}}+\nu _{\tau }\right)=\Gamma \left(\tau ^{-}\rightarrow \mu ^{-}+{\bar {\nu _{\mu }}}+\nu _{\tau }\right)}
^ Lepton (physics) . Encyclopædia Britannica . [2010-09-29 ] . （原始内容存档 于2015-05-11）. ^ R. Nave. Leptons . HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics and Astronomy. [2010-09-29 ] . （原始内容 存档于2015-04-02）. ^ λεπτός A Greek–English Lexicon at the Perseus Project。^ L. Rosenfeld (1948)
^ 5.0 5.1 C. Amsler et al . (2008): （[//web.archive.org/web/20170211045632/http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s003.pdf 页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ） （页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ） （页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ） Particle listings – − 页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ）
^ 6.0 6.1 C. Amsler et al . (2008): （[//web.archive.org/web/20170130221229/http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s004.pdf 页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ） （页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ） （页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ） Particle listings – − 页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ）
^ C. Amsler et al . (2008): （[//web.archive.org/web/20170130221338/http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s016.pdf 页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ） （页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ） （页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ） Particle listings – + 页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ）
^ 8.0 8.1 8.2 C. Amsler et al . (2008): （[//web.archive.org/web/20170126034233/http://pdg.lbl.gov/2008/listings/s035.pdf 页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ） （页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ） （页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ） Particle listings – − 页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ）
^ S. Weinberg. The Discovery of Subatomic Particles . Cambridge University Press. 2003. ISBN 0-521-82351-X ^ R. Wilson. Astronomy Through the Ages: The Story of the Human Attempt to Understand the Universe. CRC Press. 1997: 138. ISBN 0-7484-0748-0 ^ K. Riesselmann. Neutrino Invention . Symmetry Magazine. 2007, 4 (2) [2014-08-01 ] . （原始内容存档 于2021-05-17）. ^ 12.0 12.1 12.2 The Reines-Cowan Experiments: Detecting the Poltergeist (PDF) . Los Alamos Science. 1997, 25 : 3 [2010-02-10 ] . （原始内容存档 (PDF) 于2013-02-21）. ^
F. Reines, C.L. Cowan, Jr.; Cowan. The Neutrino. Nature. 1956, 178 (4531): 446. Bibcode:1956Natur.178..446R doi:10.1038/178446a0
^ S.H. Neddermeyer, C.D. Anderson; Anderson. Note on the Nature of Cosmic-Ray Particles . Physical Review. 1937, 51 (10): 884–886. Bibcode:1937PhRv...51..884N doi:10.1103/PhysRev.51.884 ^ I.V. Anicin. The Neutrino – Its Past, Present and Future. SFIN (Institute of Physics, Belgrade) year XV, Series A: Conferences, No. A2 (2002) 3–59. 2005: 3172. Bibcode:2005physics...3172A arXiv:physics/0503172 ^ M.L. Perl; et al. Evidence for Anomalous Lepton Production in e+ –e− Annihilation. Physical Review Letters. 1975, 35 (22): 1489–1492. Bibcode:1975PhRvL..35.1489P doi:10.1103/PhysRevLett.35.1489 ^
K. Kodama (DONUT Collaboration); et al. Observation of tau neutrino interactions. Physics Letters B. 2001, 504 (3): 218. Bibcode:2001PhLB..504..218D arXiv:hep-ex/0012035 doi:10.1016/S0370-2693(01)00307-0
^ C. Amsler et al . (2008) Heavy Charged Leptons Searches （页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ）
^ C. Amsler et al . (2008) Searches for Heavy Neutral Leptons （页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ）
^ Mark Srednicki. Quantum Field Theory . Cambridge University Press. 25 January 2007 [2014-08-01 ] . ISBN 978-1-139-46276-1存档 于2011-07-25）. ^ 21.0 21.1 21.2 Griffiths, David J., Introduction to Elementary Particles 2nd revised, WILEY-VCH, 2008, ISBN 978-3-527-40601-2 ^ 22.0 22.1 Peskin, Michael; Schroeder, Daniel. An introduction to quantum field theory Reprint. Westview Press. 1995. ISBN 978-0201503975 ^ Y.Fukuda; et al. Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos. Physical Review Letters. 1998, 81 (8): 1562–1567. Bibcode:1998PhRvL..81.1562F arXiv:hep-ex/9807003 doi:10.1103/PhysRevLett.81.1562 ^ 24.0 24.1 24.2 24.3 C.Amsler et al. (2008): Particle listings – Neutrino properties （页面存档备份 ，存于互联网档案馆 ）
^ 25.0 25.1 25.2 B.R. Martin, G. Shaw. Chapter 2 – Leptons, quarks and hadrons. Particle Physics. John Wiley & Sons. 2008. ISBN 0470032944 ^ J. P. Cumalat. Physics in Collision 12. Atlantica Séguier Frontières. 1993. ISBN 978-2-86332-129-4 ^ G Fraser. The Particle Century . CRC Press. 1 January 1998 [2014-08-01 ] . ISBN 978-1-4200-5033-2存档 于2020-08-04）. ^ 28.0 28.1 28.2 J. Peltoniemi, J. Sarkamo (2005)
