輕子（lepton）是標準模型中自旋為二分之一的費米子，質量極小，其本質特點是不參與強相互作用。常見的輕子有兩類：帶電輕子（也稱為類電子輕子或μ子），包括電子、μ子和τ子。中性輕子，即中微子。帶電輕子可以與其他粒子結合形成各種復合粒子，例如原子和正電子素，而中微子很少與任何東西相互作用，因此很少被觀察到。
1897年，約瑟夫·湯姆遜（Thomson）發現了電子，電子是最輕的帶電輕子。下一個被觀測到的輕子是μ子，由卡爾·D·安德森（Anderson）在1936年發現，當時被歸類為介子。經過研究，人們發現μ子并不具備預期的介子屬性，而表現得像一個電子，只是質量更大，后改稱為μ子。1930年，沃爾夫岡·泡利（Pauli）提出中微子的概念，以解釋β衰變的某些特性。之后中微子于1956年由弗雷德里克·萊因斯（Frederick Reines）和考恩（Clyde Lorrain Cowan）在實驗中首次被觀測到。1962年，施瓦茨（Melvin Schwartz）和斯坦伯格（Jack Steinberger）發現中微子有味道的屬性。τ子在1975年左右由馬丁·佩爾（Martin Lewis Perl）等人在美國SLAC實驗室的SPEAR正負電子對撞機上發現。τ子中微子直到2000年7月才被發現，當時費米實驗室宣布了它的發現。
輕子可以分為三代，第一代輕子是電子和中微子，第二代是μ子和μ子中微子，第三代是τ子和τ子中微子，以及它們所對應的反粒子。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。輕子具有很多內秉性質，會感受到其它三種基礎力：引力、弱作用力、電磁力，且輕子數守恒。但是，由于中微子呈中性，所以不會感受到電磁力。在標準模型里，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。
詞源
“lepton”源自希臘語“leptos”，意思是小的，輕微的，纖細的，精致的。萊昂·羅森菲爾德（Léon Rosenfeld）于1948年最先為英文術語“lepton”命名。該命名假設輕子質量都很小，因為當時學術界只知道有電子與μ子兩種輕子，它們的質量確實很少，電子的質量為0.511MeV，μ子的質量為105.7MeV，比質子的質量輕很多。但是到1970年代，人們又發現了τ子，它的質量是1777MeV，幾乎是質子的兩倍。
簡史
1897年，劍橋劍橋大學卡文迪許實驗室的約瑟夫·湯姆遜（Thomson）發現了電子，同樣，第一個受人控制的粒子束也是由電子構成，電子是最輕的帶電輕子。
1930年，沃爾夫岡·泡利（Pauli）為了解釋β衰變使質子和中子相互轉變中的能量和動量失蹤的現象，根據守恒定律預言：應該存在著一種還不知道的極其微小的中性粒子帶走了β衰變中那一部分能量和動量，當時泡利將這種粒子命名為“中子”。1932年，真正的中子被發現，美籍意大利科學家恩里科·費米（Enrica Fermi）將泡利的“中子”正名為“中微子”（Neutrino）。
1936年，安德森（Anderson）等人在宇宙線中發現子，起初他們以為是湯川在理論上預言的傳播強相互作用的介子，所以當時稱為介子。但后來實驗發現其不參與強相互作用，不具備預期的介子屬性，而是表現得像一個電子，只是質量更大，比重子重，所以改稱為子，屬第二代輕子。
1942年，中國科學家王淦昌提出了一種利用軌道電子俘獲檢測中微子的可行方案（K俘獲法）。美國科學家雷蒙德·戴維斯（Raymond Davis Jr ）應用王淦昌提出的K俘獲法，間接觀測到了中微子的存在。
1956年，美國科學家弗雷德里克·萊因斯（Frederick Reines）和考恩（Clyde Lorrain Cowan）用核反應堆發出的反中微子與質子碰撞，第一次直接證實了中微子的存在，并因此獲得諾貝爾物理學獎。1962年，美國科學家萊德曼（LeonM）、舒瓦茨（Melvin Schwartz，1932- ）發現中微子有“味道”的屬性。
1975年，科學家馬丁·佩爾（Martin Lewis Perl）美國科學家佩爾等人在美國SLAC實驗室的SPEAR正負電子對撞機上發現了一個比質子重兩倍，比電子重3500倍的新粒子，其特性類似于電子和子。經過反復檢驗，證明是在電子和子之外的又一種輕子（第五種輕子），以希臘字母表示。因為輕子比第一個被發現的輕子——電子重很多，也稱它為重輕子。
1982年，美國費米實驗室科學家用實驗支持了子中微子存在的假設。2000年7月21日，費米國家實驗室宣布中微子（第六種輕子）存在的直接證據。
分類
除重子以外，自旋為1/2的費米子統稱為輕子。輕子包括電子、子和中微子等，它們主要參與弱相互作用和電磁相互作用。中微子可能是以光速運動的、靜止質量為0的中性粒子，它們分為兩種和，分別對應于電子和子。電子和子都帶有一個負電荷，且都具有一定的質量，所以又被稱為重輕子。
三代
輕子可以分為三代，第一代是輕子是電子和中微子，以及它們所對應的反粒子。第二代輕子是子和子中微子，以及它們所對應的反粒子，第三代輕子是子和子中微子，以及它們所對應的反粒子。因為輕子家族中共有12個輕子。
兩族
輕子有兩族，一族由電子、正電子、、中微子和反中微子組成。另一族由正、負介子，中微子和反中微子組成。
相關概念
μ子
子與電子有許多相似之處，但質量卻有很大區別，其質量介于電子和介子之間，約為電子質量的207倍。另外，電子是穩定的，子是不穩定的，其壽命約為2×10-6秒，其衰變方式為：。子有、兩種，所帶電荷與、相同，它也是自旋為h\2的費米子。還可以取代原子中的形成原子。
中微子
中微子自旋為h\2，不帶電、質量為0，確切的說是在目前現有實驗手段下測出其質量幾乎為零，只參與弱相互作用。由于中微子不帶電，所以不會受到電磁力的影響，也不會引起物質電離。此外，它們僅通過非常弱的中微子相互作用與物質發生反應，且以接近光速運動，具有極強的穿透力，可以穿越地球直徑那么厚的物質，在100億個中微子中只有一個會與物質發生反應，因此中微子的檢測非常困難。實際上，大多數粒子物理和核物理過程都伴隨著中微子的產生，例如核反應堆發電（核裂變）、太陽發光（核聚變）、天然放射性（貝塔衰變）、超新星爆發、宇宙射線等等。宇宙中充斥著大量的中微子，大部分為宇宙大爆炸的殘留，大約為每立方厘米300個。
輕子與夸克
在標準模型中，輕子與夸克是物質的基本組成單元，它們之間存在著四種基本相互作用。輕子和夸克之間存在某種對稱性，按其質量和性質分為三代，每一代都有一個電荷為的夸克和一個電荷為的夸克、一個中微子和一個帶電輕子。每一代總電荷量相等，都為零。每一代都重復著前一代的主要物理性質。第一代的輕子和夸克組成了物理世界。第二代和第三代的輕子和夸克組成了在高能條件下出現的物質狀態。
特性
自旋與手性
輕子是自旋1?2粒子，只能處于兩種自旋態：上旋或下旋。自旋統計定理將它們按照自旋歸類為費米子，遵守泡利不相容原理，因此任何兩個全同的輕子不能同時占有相同的量子態。
手征性與螺旋性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。對于不帶質量的粒子，其相對方向與參考系無關，可是，對于帶質量粒子，由于可以借著洛倫茲變換來改換參考系，所以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。手征性是通過龐加萊群（Poincaré 基團）的變換來定義的性質。對于不帶質量粒子，手征性與螺旋性一致；對于帶質量粒子，手征性與螺旋性有別。
在很多量子場論里，例如量子電動力學與量子色動力學，并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里，按照手征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。
電磁相互作用
輕子的電荷決定了它所產生的電磁場，也決定了它怎樣響應外電磁場。輕子的每個世代的組員都有一個帶電輕子（），中性輕子（）。例如，第一代輕子為電子和電中微子，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。由于輕子具有自旋，帶電輕子會產生磁場，磁偶極矩，其中是輕子的質量，是輕子的因數。
一階近似量子力學預測，對于所有輕子，因數為2；費曼圖里的虛粒子圈可以對高階量子效應給出修正，這些修正，稱為反常磁偶極矩（anomalous magnetic dipole moment），對于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。對于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。
弱相互作用
在標準模型里，輕子可以按照手征性分為左手輕子與右手輕子；左手輕子的弱同位旋T為二分之一，左手帶電輕子與左手中微子的弱同位旋投影（弱同位旋的第三分量）T3分別為負二分之一、正二分之一。弱相互作用是由它們組成二重態共同實現，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；右手中微子并不存在。
希格斯機制是借助希格斯場使粒子獲得質量的機制。希格斯場是標量場，在群空間可以有多個分量。它將弱同位旋SU（2）與弱超荷U（1）對稱的四個規范場，重新組合成傳遞弱相對作用的三個帶質量玻色子與傳遞電磁相對作用的不帶質量玻色子（光子）。通過蓋爾曼-西島方程，可以從弱同位旋投影T3與弱超荷YW計算出電荷Q：
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的弱超荷Y（W）必須為-1，而右手弱同位旋單態的弱超荷Y（W）必須為-2。
質量
中微子是自然界中迄今已知最“輕盈”的基本粒子，但其質量一直是個未解之謎。在標準模型中它們的質量為零，1998年日本超級神岡實驗（Super-K）發現大氣中微子存在振蕩現象，即中微子在飛行中可以變成其他種類的中微子，形成了中微子振蕩的堅實證據。中微子振蕩說明中微子有質量，只不過它非常非常小，還不到單個電子質量的50萬分之一，以至于現有技術還不能直接測出來。
帶電輕子的質量差別很大，除了中微子外，電子是最輕的帶電輕子，質量約為0.511MeV，大約是質子質量的二千分之一。子的質量為106MeV，大約是電子質量的200倍，而子的質量甚至更高，達1784MeV。
輕子數
在輕子參與的所有弱相互作用和電磁相互作用過程中，發現存在一個守恒的量子數，稱為輕子數。電子e?、μ?和τ?粒子的輕子數為+1，相應的反粒子的輕子數為-1。對所有的反應過程，輕子數在反應前后不變，但與電荷守恒不同，輕子數守恒只是實驗中總結出來的經驗規律，不是已知的相互作用的必然結果，而電荷守恒卻是以電磁相互作用為基礎的。
輕子家族的粒子有六種味，它們具有以下兩個重要性質：
（1）輕子不參與強力的相互作用，只受電磁力和弱力的影響；
（2）輕子數守恒，即輕子只能以粒子-反粒子成對地產生或湮滅，總的輕子數（輕子數目減去反輕子數目）在已知的一切物理過程中保持不變。
已知的六種味的輕子成對出現，每一對包括一種荷電輕子和一種被稱為中微子的中性輕子。
普適性
輕子普適性是指輕子與規范波色子的耦合與其味道無關。輕子和規范玻色子之間的相互作用對于每個輕子來說都是相同的。換句話說，對于電子與電中微子之間的相互作用、μ子與μ中微子之間的相互作用、τ子與τ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。
輕子表
應用
粒子物理和核物理
在粒子物理中，子主要用于尋找稀有衰變。另外，由于強流子束流衰變產生大量的中微子，因此利用子產生中微子建立中微子工廠也非常有吸引力。在核物理領域，子目前主要用于測量質子半徑，或者利用繆子原子測量原子精細結構。
通信
中微子呈電中性、微質量、穩定好、弱作用、穿透力強、光速傳輸等獨特性質，所以其波束是可以替代電磁波通信，成為傳輸信息的一種更具優越的無線通信方式，并且傳輸極遠，不受障礙的限制，不怕外界干擾，保密性極好，無輻射和污染，尤其在水下對潛通信及對空對天通信中有著無可比擬的優勢。
參考資料 >
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從“頓牟掇芥”講起.中科院海西研究院.2024-05-23
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中微子——通往新物理之門.中國科學院高能物理研究所.2024-05-22
中微子新質量上限“出爐”: 不超過一點一電子伏特.國家自然科學基金委員會.2024-05-22
繆子科學.中國科學院高能物理研究所.2024-05-22