لِپتون (بهانگلیسی:Lepton) خانواده‌ای ازذرات بنیادی بااسپین نیمه‌صحیح (اسپین1⁄2) هستند کهبرهم‌کنش هسته‌ای قوی ندارند اما ازاصل طرد پاولی پیروی می‌کنند.[۱]مشهورترین لپتون،الکترون است که مستقیماً با تمام ویژگی‌های شیمیایی مرتبط است. دو ردهٔ اصلی لپتون‌ها شامل بر: لپتون‌های دارایبار الکتریکی (که به آنها لپتون‌های الکترون‌مانند هم می‌گویند) و لپتون‌های خنثی ( که به نامنوترینو شناخته می‌شوند). لپتون‌های باردار می‌توانند با ذرات دیگر ترکیب شده وذرات مرکب مختلفی ماننداتم یاپوزیترونیوم تشکیل دهند، اما نوترینوها به ندرت با چیزی برهمکنش دارند و از این رو به ندرت مشاهده می‌شوند.
شش گونه لپتون وجود دارد که به هر یک از آنها یکمزه گفته می‌شود و در سهنسل مختلف طبقه‌بندی می‌شوند.[۲]نسل نخستلپتون‌های الکترونی هستند که شاملالکترون (e− ) والکترون نوترینو (ν e) می‌شوند. نسل دوملپتون‌های میونی هستند که شاملمیون (μ− ) ومیون‌نوترینو(ν μ) می‌شوند؛ و نسل سوملپتون‌های تائونی هستند که شاملتاو (τ− ) وتاو نوترینو (ν τ) می‌شوند.الکترون‌ها کمترین جرم را در بین لپتون‌های باردار دارند. میون‌ها و تاوهای سنگین‌تر به سرعت در یک فرایندواپاشی ذره به الکترون تبدیل می‌شوند: تبدیل از حالتی با جرم بیشتر به حالتی با جرم کمتر. الکترون‌ها پایدار هستند و فراوان‌ترین لپتون باردار در جهان هستند، درحالی‌که میون و تاو تنها در برخوردهای پرانرژی به وجود می‌آیند (مانند برخوردهای مربوط بهپرتو کیهانی و همچنینشتاب‌دهنده‌های ذرات).
لپتون‌ها ویژگی‌های ذاتی مختلفی مانندبار الکتریکی،اسپین وجرم دارند. هر چند که برخلافکوارک‌ها، لپتون‌ها در معرضبرهم‌کنش هسته‌ای قوی نیستند. اما با سهنیروی بنیادی دیگر برهمکنش دارند:گرانش،الکترومغناطیس (به‌جز نوترینوها که بار الکتریکی ندارند) وبرهم‌کنش هسته‌ای ضعیف. به ازای هر مزه لپتون یکپادذره متناظر وجود دارد، که با نامپادلپتون شناخته می‌شود و تنها تفاوت آن با لپتون متناظرش در علامت برخی از ویژگی‌های آن است. البته با وجود اینکه بر مبنای برخی نظریه‌ها نوترینوها هم ممکن است پادذرهٔ متناظری داشته باشند، اما در حال حاضر نمی‌دانیم که این موضوع صحت دارد یا خیر.
نظریه‌پردازی در مورد نخستین لپتون باردار، یعنی الکترون، در اواسط قرن نوزدهم توسط دانشمندان متعددی آغاز شد[۳][۴][۵] و در سال ۱۸۹۷ توسطتامسون کشف شد.[۶] لپتون بعدی که مشاهده شد، میون بود که توسطکارل دیوید اندرسون در سال ۱۹۳۶ کشف شد و در آن زمان به عنوان یکمزون طبقه‌بندی شده‌بود.[۷]پس از کمی بررسی مشخص شد که میون، ویژگی‌های مورد انتظار از یک مزون را ندارد بلکه بیشتر به الکترون شبیه است و تنها جرم بیشتری دارد. تا سال ۱۹۴۷ طول کشید تا مفهوم لپتون به عنوان خانواده‌ای از ذرات بنیادی پیشنهاد گردد.[۸] نخستین نوترینو، یعنی الکترون‌نوترینو توسطولفگانگ پاولی در سال ۱۹۳۰ پیشنهاد شد تا بتوان برخی از ویژگی‌هایواپاشی بتا را توضیح داد.[۸] مشاهده آن نخستین‌بار در آزمایش کووان-راینز توسط کلاید کون و فردریک رینز در سال ۱۹۵۶ انجام شد.[۸][۹]میون‌نوترینو در سال ۱۹۶۲ توسطلئون لدرمن،ملوین شوارتز وجک اشتینبرگر کشف شد،[۱۰] و تاو بین سال‌های ۱۹۷۴ تا ۱۹۷۷ توسطمارتین لوییس پرل و همکارانش ازمرکز شتاب‌دهنده خطی ذرات استانفورد وآزمایشکاه ملی لورنس برکلی، کشف شد.[۱۱] تاو نوترینو تا ماه ژوئیه سال ۲۰۰۰ مشاهده نشده‌بود و در آن زمان توسط آزمایش دونات درآزمایشگاه فرمی کشف شد.[۱۲][۱۳]
لپتون‌ها بخش مهمی ازمدل استاندارد هستند. الکترون‌ها در کنارپروتون ونوترون یکی از اجزای تشکیل‌دهندهٔاتم‌ها هستند.اتم‌های غیرعادی که به جای الکترون، میون یا تاو داشته‌باشند نیز قابل ساخت هستند. همچنین می‌توان ذرات لپتون-پادلپتون مانندپوزیترونیوم تشکیل داد.
ناملپتون برآمده از واژهیونانیلپتوس (λεπτός) به معنی «ریز، کوچک، باریک» می‌باشد.[۱۴][۱۵] نام لپتون نخستین بار توسط فیزیکدانی به ناملئون روزنفلد در سال ۱۹۴۸ به‌کار برده‌شد:[۱۶]
در پی پیشنهاد پروفسورکریستیان مولر, من — به عنوان مکمل نوکلئون — نام لپتون (از λεπτός، کوچک، باریک، ظریف ) را برگزیدم که نشان‌دهنده جرم کوچک آن باشد.
هرچند که این واژه‌شناسی به اشتباه این تصور را به‌وجود می‌آورد که همه لپتون‌ها جرم کوچکی دارند. وقتی روزنفلد این نام را برگزید، تنها لپتون‌های شناخته‌شده الکترون و میون بودند که جرمشان بسیار کوچک بود. جرم الکترون (۶۹۹۹۵۱۱۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۰٫۵۱۱ MeV/c۲)[۱۷]و جرم میون (۷۰۰۲۱۰۵۷۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۱۰۵٫۷ MeV/c۲)[۱۸]تنها کسری از جرم پروتون (۷۰۰۲۹۳۸۳۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۹۳۸٫۳ MeV/c۲)[۱۹] هستند. اما جرم تاو (که در اواسط دهه هفتاد کشف شد)(۷۰۰۳۱۷۷۷۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۱۷۷۷ MeV/c۲)[۲۰]تقریباً دوبرابر پروتون و در حدود ۳۵۰۰ برابر الکترون است.
تقریباً ۴۰ سال پس از کشف الکترون،میون توسطکارل دیوید اندرسون در سال ۱۹۳۶ کشف‌شد. به خاطر جرمش ابتدا به عنوان یکمزون طبقه‌بندی شده‌بود.[۲۴]بعدها مشخص شد که میون بسیار بیشتر به الکترون شبیه بود تا به یک مزون، زیرا میون‌هابرهم‌کنش هسته‌ای قوی ندارند و به همین دلیل میون‌ها دوباره طبقه‌بندی شدند : الکترون، میون و (الکترون)نوترینو در گروه جدیدی به نام لپتون‌ها قرار گرفتند. در سال ۱۹۶۲،لئون لدرمن،ملوین شوارتز وجک اشتینبرگر با آشکارسازی برهم‌کنش‌های میون نوترینو نشان دادند که بیش از یک نوع نوترینو وجود دارد وجایزه نوبل فیزیک ۱۹۸۸ را به خود اختصاص دادند، هرجند که تا آن موقع دیگر مزه‌های مختلفی از نوترینو نظریه‌پردازی شده‌بود.[۲۵]
تاو نخستین بار در سری آزمایش‌هایی که در سال‌های ۱۹۷۴ تا ۱۹۷۷ توسطمارتین لوییس پرل و همکارانش درآزمایشگاه ملی لارنس برکلی وآزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده اسلاک کشف شد.[۲۶]انتظار می‌رفت که مانند الکترون و میون یک نوترینوی متناظر نیز داشته باشد. نخستین شواهد ازتاو نوترینو از مشاهدات انرژی و تکانه گم‌شده در واپاشی بتای تاو در سال ۲۰۰۰ به‌دست‌آمد. این شیوه مشابه نتیجه‌گیری انجام شده ازانرژی وتکانه گم‌شده درواپاشی بتا بود که منجر به کشف الکترون نوترینو شد. نخستین آشکارسازی برهم‌کنش‌های تاو در سال ۲۰۰۰ توسط گروه دونات از آزمایشگاه فرمی اعلام شد و آخرین ذره مدل استاندارد است که مستقیماً مشاهده شده‌است[۲۷]. البته به جزبوزون هیگز که احتمالاً در سال ۲۰۱۲ کشف شده‌بود.
اگرچه همه داده‌های کنونی با وجود سه نسل از لپتون‌ها سازگار است، برخی از فیزیکدانان در جستجو به دنبال نسل چهارم لپتون‌ها هستند. حد پایین کنونی برای جرم چنین لپتون نسل چهارمی،۷۰۰۲۱۰۰۸۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۱۰۰٫۸ GeV/c۲[۲۸] درحالی‌که پادنوترینوی مرتبط با آن جرمی حداقل برابر با۷۰۰۱۴۵۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۴۵٫۰ GeV/c۲ خواهد داشت.[۲۹]
لپتون‌ها ذرات اسپین1⁄2 هستند و به همین دلیل بنا برقضیه اسپین-آمار،فرمیون محسوب می‌شوند و مشمولاصل طرد پاولی هستند؛ یعنی هیج دو لپتونی از یک گونه نمی‌توانند به‌طور هم‌زمان حالت‌های یکسانی داشته‌باشند. علاوه‌براین این بدان معناست که هر لپتون تنها می‌تواند دو حالت اسپین مختلف داشته باشد کهبالا وپایین نام دارند.
یکی از ویژگی‌هایی که ارتباط تنگاتنگی با این موضوع دارد، ویژگیدست‌سانی است که به نوبه خود ارتباط نزدیکی با ویژگیمارپیچگی دارد که تصویر کردن آن ساده‌تر است.مارپیچگی یک ذره عبارت است از جهت اسپین آن نسبت به تکانه‌اش؛ ذراتی که اسپین و تکانه آنها هم‌جهت باشد را «راست-دست» و در غیراین‌صورت «چپ-دست» می‌نامیم. وقتی ذره‌ای بدون جرم باشد، جهت تکانه آن نسبت به جهت اسپین‌اش مستقل از چارچوب خواهد بود، در حالی‌که در ذرات جرم‌دار می‌توان توسط یکتبدیل لورنتز و تغییر مارپیچگی، از ذره پیشی‌گرفت. دست‌سانی یک ویژگی فنی است (که توسط رفتار تبدیل تحتگروه پوانکاره تعریف می‌شود) که با مارپیچگی در مورد ذرات بدون جرم در توافق است (تقریباً) و برای ذرات جرم‌دار نیز به خوبی تعریف می‌شود.
از دید بسیاری ازنظریه‌های میدان‌های کوانتومی— مانندالکترودینامیک کوانتومی وکرومودینامیک کوانتومی— فرمیون‌هایراست‌دست و فرمیون‌های چپ‌دست یکسان هستند. اگرچه مدل استاندارد با فرمیون‌های راست‌دست و چپ‌دست رفتاری نامتقارن دارد. فقط فرمیون‌های چپ‌دست می‌توانند بانیروی هسته‌ای ضعیف برهمکنش داشته‌یاشند در حالی کهنوترینوی راست‌دست وجود ندارد؛ که این مثالی ازنقض پاریته است. در متون علمی فرمیون چپ‌دست را با یک L در پایین مشخص می‌کنند (مثلاًe− L) و فرمیون راست‌دست نیز با R و به شیوه مشابهی نوشته می‌شود.
یکی از ویژگی‌های بسیار مهم لپتون‌هابار الکتریکی،Q است. بار الکتریکی میزان قدرت آنها در برهم‌کنش‌های الکترومغناطیسی و میزان قدرتمیدان الکتریکی تولید شده توسط ذرات را تعیین می‌کند (ن. ک.قانون کولن) و همچنین اینکه ذره با چه قدرتی به یک میدان الکتریکی یا مغناطیسی خارجی واکنش نشان می‌دهد (ن. ک.نیروی لورنتس). هر نسل از لپتون‌ها یک لپتون با بارQ = −۱ (بار الکتریکی ذرات برحسب واحدی ازبار الکترون نشان داده می‌شد) و یک لپتون با بار صفر دارد. به اولی لپتون باردار و به دومی نوترینو می‌گویند به‌طور مثال در نسل اول لپتون باردارالکترونe− و نوترینوالکترون نوترینوν e است. مثلاً نسل نخست شامل الکترون با بار الکتریکی منفی و الکترون نوترینوی خنثی می‌شود.
در زبان نظریهٔ میدان‌های کوانتومی، برهمکنش الکترومغناطیسی لپتون توسط این واقعیت بیان می‌شود که ذرات با کوانتایمیدان الکترومغناطیسی یعنیفوتون برهمکنش می‌کنند.نمودار فاینمن برهمکنش الکترون فوتون در چپ نشان داده شداست.
از آنجا که لپتون‌ها یک چرخش ذاتی در شکل اسپین‌شان دارند، لپتون‌های باردار میدان مغناطیسی تولید می‌کنند.گشتاور مغناطیسیμ تولید شده از فرمول زیر به‌دست می‌آید،
کهm جرم لپتون وgفاکتور جی برای لپتون است. اولین مرتبهٔ تقریب‌زنی درمکانیک کوانتوم پیش‌بینی می‌کند که میزان فاکتور جی برای تمام لپتون‌ها برابر ۲ باشد. اگرچه تقریب‌های مرتبهٔ بالاتر آثار کوانتومی ناشی از حلقه‌های نمودارهای فاینمن، این مقدار را کمی اصلاح می‌کنند . این تصحیحات کهگشتاور دوقطبی مغناطیسی نابهنجار (en:anomalous magnetic dipole moment)نامیده می‌شوند، بسیار نسبت به جزئیات نظریه میدان کوانتومی حساس هستند و آزمون خوبی برای میزان دقت مدل استاندارد به‌شمار می‌روند. مقادیر اندازه‌گیری‌شده از طریق نظری برای تکانه دوقطبی غیرعادی مغناطیسی الکترون تا هشت رقم بامعنی با مقادیر واقعی انطباق دارند.[۳۰]
در مدل استاندارد، لپتون باردار چپ‌دست و نوترینو راست‌دست است و یکدوگان(ν eL,e− L) تشکیل می‌دهند و بیاناسپینوری درگروه واحد ویژهایزواسپین ضعیف تقارن پیمانه‌ای به (T = ۱⁄۲) تغییر می‌کند. این بدین معنی است که این ذرات وضعیت ویژه از نتیجه ایزواسپینT۳ با ویژه مقادیر1⁄2 و1⁄2- خواهند داشت. لپتون راست‌دست باردار به یک اسکالر ضعیف ایزواسپینی (T = ۰) تبدیل می‌شود و در برهمکنش ضعیف شرکت نمی‌کند. نوترینوی راست‌دست وجود ندارد.
بار الکتریکیQ را می‌توان از نمایش ایزواسپینT۳ و ابربار ضعیفYW از طریقفرمول گل‌مان-نیشیجیما به‌دست آورد:
درمدل استاندارد (ذرات بنیادی)، لپتون‌ها در ابتدا دارای جرم نیستند اما لپتون‌های باردار (الکترون، میون و تاو) در برهمکنش بامیدان هیگز جرم به‌دست می‌آورند ولی نوترینوها بدون جرم باقی می‌مانند. بی‌جرمی نوترینوها بدین معنی است که لپتون‌های باردار نمی‌توانند مانند کوارک گروه تشکیل دهند چیزی که با مشاهدات هم‌خوانی دارد.[۳۱]
اگرچه از آزمایش‌هایی — که مشهورترینشاننوسان نوترینو[۳۲] است— نتیجه گرفته‌شده‌است که نوترینوها دارای جرم هرچند بسیار اندکی هستند: احتمالاً کمتر از۷۰۰۰۲۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۲ eV/c۲.[۳۳] این مسئله نشان‌دهنده وجود نظریه فیزیکی فراتر ازمدل استاندارد است، که محبوبترین آن‌هاساز و کار الاکلنگ است که می‌تواند توضیح دهد چرا نوترینوهای چپ‌دست در مقایسه با لپتون باردار بسیار سبک هستند و همچنین چرا تاکنون نوترینوی راست‌دستی مشاهده نشده‌است.
بهدوگانایزواسپین ضعیف هر یک از اعضای نسل‌ها یکعدد لپتونی نسبت داده می‌شود که در مدل استاندارد پایستگی آنها حفظ می‌شود.[۳۴]الکترون و الکترون‌نوترینو عدد الکترونیLe = 1 دارند، درحالی‌که میون و میون‌نوترینو عدد میونیLμ = 1 و ذرات تاو و تاو نوترینو عدد تائونیLτ = 1 داردند. پادلپتون‌ها نیز عدد لپتونی نسل لپتونی با علامت مخالف دارند.
پایستگی عددهای لپتونی به این معنی‌است که تعداد لپتون‌های هر نوع ثابت می‌ماند. از این موضوع نتیجه می‌شود که لپتون‌ها و پادلپتون‌ها باید به صورت جفت‌هایی از یک نسل پدید آیند. مثلاً فرایندهای زیر پایستگی عدد لپتونی را حفظ می‌کنند:
ولی درنوسان نوترینو مشاهده شده‌است که پایستگی عددهای لپتونی انفرادی (عدد لپتونی مختص هر نسل) نقض می‌شود. این نقض به معنی ایجاب وجود دانش فیزیک فراتر از مدل استاندارد است. پایستگی شمار کل لپتون‌ها (L) قانون قوی‌تری است و حتی در نوسان نوترینو نیز پایسته است اما این قانون نیز اندکی درآنومالی کایرال (chiral anomaly) نقض می‌شود.
