La Fisica delle particelle elementari

Tra le particelle che oggi appaiono prive di struttura e indivisibili (e pertanto fondamentali), quelle non influenzate dalla forza forte sono chiamate leptoni. Sono stati identificati sei tipi di leptoni, chiamati fantasiosamente <sapori>. Tre leptoni - elettrone, muone e particella tau - hanno carica elettrica, -1, mentre differiscono per la massa: l'elettrone è il più leggero e la tau la più pesante. Gli altri tre, i neutrini, sono, come suggerisce il nome, elettricamente neutri. Due di essi, il neutrino elettronico e il neutrino muonico, sono praticamente senza massa. Nonostante la diversità di massa, tutti e sei i leptoni hanno esattamente lo stesso momento angolare di spin. Essi vengono indicati come particelle a spin 1/2, perché ciascuno può ruotare in una di due direzioni. Un leptone è detto destrorso se le dita ripiegate della mano destra ne indicano la rotazione quando il pollice punta nella direzione di avanzamento della particella; è detto sinistrorso quando le dita e il pollice della mano sinistra ne indicano lo spin e la direzione di avanzamento.

Per ogni leptone vi è un corrispondente antileptone, una varietà di antiparticella. Le antiparticelle hanno la stessa massa e lo stesso spin delle rispettive particelle, ma hanno valori opposti di altre proprietà, quale la carica elettrica. Per esempio, gli antileptoni comprendono l'antielettrone, o positrone, l'antimuone e l'antitau, tutti dotati di carica positiva, e tre antineutrini elettricamente neutri.

Nelle loro interazioni i leptoni paiono suddivisi in tre famiglie, ciascuna composta da un leptone carico e dal suo neutrino. Le famiglie sono distinte matematicamente da numeri leptonici; per esempio, all'elettrone e al neutrino elettronico si assegna numero elettronico 1, numero muonico 0 e numero tauonico 0. Agli antileptoni si attribuiscono numeri leptonici di segno opposto. Anche se alcuni leptoni decadono in altri leptoni, il numero leptonico totale dei prodotti di decadimento è uguale a quello della particella originale; si conserva quindi la parentela.

Per esempio, il muone è instabile. Esso decade, dopo una vita media di 2,2 microsecondi, in un elettrone, un antineutrino elettronico e un neutrino muonico, nel corso di un processo mediato dalla forza debole. Nella trasformazione il numero leptonico totale rimane inalterato. il numero muonico del neutrino muonico è 1, il numero elettronico dell'elettrone è 1, mentre quello dell'antineutrino elettronico è -1. I numeri elettronici si annullano, lasciando inalterato il numero muonico iniziale 1. Il numero leptonico si conserva anche nel decadimento della particella tau, che ha una vita media di 3 x 10^-13 secondi.

L'elettrone è invece assolutamente stabile. La carica elettrica si deve conservare in tutte le interazioni e non esiste alcuna particella più leggera nella quale possa decadere un elettrone. Il decadimento dei neutrini non è ancora stato osservato. Dal momento che i neutrini sono i membri più leggeri delle loro rispettive famiglie, il loro decadimento violerebbe necessariamente le regole della famiglia di appartenenza.

Dove si osservano i leptoni? L'elettrone è noto come portatore di carica elettrica nei metalli e nei  semiconduttori. Gli antineutrini elettronici sono emessi nel decadimento beta di neutroni in protoni. 

I reattori nucleari, che producono un gran numero di neutroni liberi instabili, sono abbondanti sorgenti di antineutrini. Le specie di leptoni rimanenti vengono principalmente prodotte in collisioni ad alta energia di particelle subnucleari, che avvengono in natura quando i raggi cosmici interagiscono con l'atmosfera e negli acceleratori di particelle in condizioni controllate. Solo il neutrino tauonico non è stato osservato direttamente, ma la prova indiretta della sua esistenza è convincente.