Bozunmalar
Çekirdek Bozunmaları:
Çekirdekler bir kere oluştuklarında, hep öyle aynı kalmıyor, onlar da bozunabiliyor ve bu sırada çeşitli parçacıklar ışınlıyor. Bu ışınlara; hangi parçacıklardan oluştukları ilk keşfedildiklerinde bilinmediğinden; isim olarak Grekçe alfabenin harfleri, ilkinden başlayarak sırasıyla verilmiş. Örneğin bazı çekirdekler, iki nötron ve iki protondan oluşan helyum çekirdeği gibi kocaman parçacıklar ışınlıyorlar. Böyle çekirdeklere sahip atomlardan oluşan bir cismin yaydığı ışınlara 'α ışınları' deniyor. Bazı çekirdeklerse elektron salıyor ve bu tür çekirdeklere sahip cisimlerin yaydığı ışınlara 'β ışınları' denmiş. Bir de çok yüksek enerjili foton salanlar var. Bunlardan yayılan ışınlara da 'γ ışınları' deniyor.
Radyoaktivite denilen bu olay, geçen yüzyılın başında, o zamanki klasik fiziğin karşı karşıya bulunduğu en ciddi sorunlardan birini oluşturuyordu. Çünkü Newton'un klasik mekanik yasalarına göre; eğer bir sistem kararlıysa, hep ayakta kalmalı; yok eğer kararsızsa, örneğin bir bina ayakta duramayısısacak durumdaysa, hemen çökmeliydi. Hem de; bu durumda olan binaların hepsi, hemen hemen aynı anda... Halbuki radyoaktif çekirdekler hiç de böyle davranmıyordu. Kararsız oldukları belliydi, o yüzden parçacık ışıyıp bozunuyorlardı. Fakat radyoaktif bir kütlenin çekirdekleri bunu hep birlikte ve aynı anda yapmak yerine; sıcak bir tavadaki mısırların aralıklarla patlamasında olduğu gibi, zamana yaygın bir şekilde yapıyorlardı. Gerçi zamanla, kararsız çekirdeklerin sayısı giderek azaldığından, söz konusu ışıma zayıflıyor, fakat devam edip gidiyordu. Klasik mekanikle açıklanması imkansız görünen bu durum, kuantum mekaniğinin doğuşunu zorlayan ana etkenlerden birini oluşturdu.

Çekirdeği oluşturan protonlarla nötronların, birbirleri açısından, yaklaşık merkezi bir çekim alanı oluşturdukları ve atomdaki elektronlarınkilere benzer şekilde, farklı enerji düzeylerine karşılık gelen yörünge kabuklarında oturdukları düşünülebilir. Çekirdeğin 'kabuk modeli' denilen bu tasarımda, nötronlarla protonlar, farklı türden parçacıklar oldukları için, bağımsız yörünge şemalarına sahiptirler. Öte yandan her ikisi de, ћ/2 spinleriyle fermion olduklarından, ayrı ayrı kendi yörüngelerini, tıpkı elektronlar gibi; spinleri zıt yönlerde olacak şekilde, çiftler halinde paylaşmak durumundadırlar. Dolayısıyla çekirdek, nötronlarının ve protonlarının hangi yörünge yapısında oturuyor olduğuna bağlı olarak; en düşük enerjili temel durumunda veya uyarılmış enerji durumlarından birinde bulunuyor olabilir. Uyarılmış haldeki çekirdekler, zamanla foton yayarak, daha düşük enerjili durumlara geçiş yaparlar. Işınlanan fotonun enerjisi, arasında geçiş yapılan iki düzeyin enerjileri arasındaki farka eşittir. Çekirdekteki enerji düzeylerinin, hem kendi değerleri ve hem de aralarındaki farklar; atomdaki elektronların enerji düzeylerine oranla çok daha büyüktür. Bu yüzden, çekirdek ışımalarından kaynaklanan fotonların enerjisi veya frekansı, atom ışımalarında görülen fotonlarınkinden çok daha yüksektir. Hem de yüksüz olduklarından, gama ışınları malzemelerde uzun mesafeler katedebilirler ve durdurulmaları, diğerlerine göre çok daha zordur. Bu amaçla, kurşun gibi ağır bir metalden levhalar kullanılır. Nihayet bazı çekirdekler, oluştukları anda uyarılmış durumdadır veya uyarılmış halde oluşmuşlardır. Zamana bağlı olarak, gama ışınları yayarlar. Bazı radyoaktif çekirdeklerin gösterdiği gama etkinliği bundan ibarettir ve kaynağını, nükleonların yörünge yapısını belirleyen güçlü etkileşimden alır. Alfa ışıması biraz daha karışık.

Çekirdek içerisindeki nötronlar ve protonlar, sürekli hareket halindedir. Bunlardan iki nötron ve iki proton bazen, çekirdek sınırları civarında bir araya gelerek, çekirdekten kopma girişiminde bulunur. Ağır çekirdeklerde daha büyük olasılıkla yer alan böyle bir girişimin başarılı olması halinde; hadron dörtlüsü, kendilerini çekirdeğe bağlayan güçlü kuvvet kalıntılarından kurtulur ve çekirdek, helyum çekirdeğinden oluşan bir alfa parçacığı ışınlamış olur.

Söz konusu iki nötronla iki protonun, çekirdek içinde ikenki bağlanma enerjilerinin büyük bir kısmı, alfa parçacığının kinetik enerjisine dönüşür. Kalanı ise, alfa parçacığının, kendi bağlanma enerjisidir.

Parçalanma girişiminin hangi sıklıkta, örneğin saniyede kaç kez yer alacağı ve girişimlerden herhangi birinin başarı şansının ne olduğu, çekirdeğin o anki yapısınca belirlenen, kuantum mekaniksel olasılıklardır. Daha da önemlisi; girişim başarılı olamadığı takdirde, çekirdek hemen hemen eski haline geri döner. Dolayısıyla, çekirdekteki alfa parçacığı oluşumu, örneğin saniyede 1 kez gerçekleşiyorsa ve herhangi bir girişimin başarılı olma olasılığı %10 ise, çekirdeğin parçalanma olasılığı, 10 saniye sonunda 10x0.1=1 olur ve yani %100'ü bulur. Bu durumda, çekirdeğin ömrü 10 saniyedir, ancak buna 'ortalama ömür' demek daha doğrudur. Çünkü gerçek ömür, çekirdekten çekirdeğe değişir ve bazıları ilk girişimde bozunmuş; bazıları ise, 10'cu denemeden sonra dahi, hala bozunamamış olabilir. Öte yandan bir çekirdeğin herhangi bir andaki bozunma olasılığı; daha önce kaç başarısız girişimde bulunmuş olursa olsun; geçmişinden bağımsızdır ve zamanla artmaz. Halbuki, örneğin bir insan yaşlandıkça, bir sonraki yıl ölme olasılığı artmaktadır. Fakat radyoaktif bir çekirdek için, böyle bir yaşlanma durumu söz konusu değildir. Çünkü, başarısız her parçalanma girişiminin ardından eski haline döndüğünden, takvimi sıfırlanmış ve çekirdek yeniden doğmuş gibidir.

Dolayısıyla, daha ilk bozunma girişimine hazırlanmakta olan bir çekirdekle, milyonlarca başarısız girişimde bulunmuş olan bir çekirdeğin, bir sonraki denemelerinde başarılı olma olasılığı eşittir. Ancak, radyoaktif bir kütlede çok sayıda atom bulunduğundan, bu kalabalık çekirdek grubunun zamanla bozunuşu, ortalama olarak; kuantum mekaniksel olasılıklara uygun, boyun eğer biçimde gelişir. Yani çekirdekler farklı farklı davranabilmekle beraber; tek bir çekirdeğin bozunma olasılığının %50'yi bulduğu saniye sonunda, trilyonlarca çekirdeğin, 1-2 eksiği veya fazlasıyla, yarısı bozunmuş olur. Bu süreye 'yarı ömür' denir ve her yarı ömür sonunda, süre başlangıcındaki bozunmamış çekirdeklerin, yarısı daha bozunur. Alfa bozunması, protonların birbirini itme kuvveti sayesinde gerçekleştiği için, kaynağını elektromanyetik etkileşimden alır.

Örneğin U-238, 4.46 milyar yıl yarı ömürlü, radyoaktif bir çekirdektir. Bozunması halinde bir alfa parçacığı ışınlayarak, Th-234 çekirdeğine dönüşür. Açığa çıkan alfa parçacığı ile toryum çekirdeğinin kütleleri toplamı, U-238'inkinden azdır. Aradaki kütle farkı, ürünlerin kinetik enerjisine dönüşür. Başlangıçtaki 1 gramlık U-238 kütlesi, 4.46 milyar yıl sonra yarım grama iner. Ancak, U-238 çekirdeklerinden belli birisi, ilk saniye içerisinde bozunmuş olabileceği gibi, milyarlarca yıl sonra hala bozunmamış da olabilir. Alfa parçacıkları, +2 yüklü olduklarından kolayca, kağıt kalınlığındaki malzeme içinde dahi durdurulabilirler. Beta etkinliği diğerlerinden farklı. Burada çekirdeğin kendisi parçalanmıyor. İçindeki nötronlardan birisi protona dönüşüyor ve bu arada, bir elektronla karşıt nötrinosu ışınıyor. Sonuç olarak, atom numarası 1 artan çekirdek, kimlik değiştirmiş oluyor. Evet: Nötronlar ve diğer karmaşık parçacıklar da bozunabiliyor. Bu bozunmalara; güçlü, elektromanyetik veya zayıf etkileşimlerden, biri veya diğeri yol açabiliyor.

Temel Parçacık Dönüşümleri:
Çekirdeğin parçalanması, karmaşık yapısı nedeniyle, anlaşılabilir bir olay. Halbuki nötronun; içindeki kuarkların hapis kalması, dolayısıyla parçalanamaması gerekiyor. Parçalanmıyor da zaten ve nötronun bozunması; yapısındaki aşağı kuarklardan birinin, yukarı kuarka dönüşmesiyle gerçekleşiyor. Evet: Temel parçacıklar da bozunabiliyor; daha doğrusu birbirine dönüşerek, 'çeşni' değiştirebiliyor.

Çeşni değişimi sırasında bir temel parçacık, ansızın bir başkasına dönüşmüyor ve ortaya mutlaka, dönüşümün aracılığını yapacak bir vektör bozonun çıkması gerekiyor. Bu vektör bozonu çok çok kısa bir süre sonra, başka parçacıklara dönüşüyor. Başlangıçtaki parçacığın kütlesiyle kinetik enerjisinin toplamı bazen, bozonun kütlesinden daha az olabiliyor. Enerjinin korunumu ilkesini zedeler görünen bu durum, Heisenberg'in belirsizlik ilkesi sayesinde mümkün oluyor. Çünkü, sonuçta ortaya çıkan ürünlerin kütle ve kinetik enerjilerinin toplamı, başlangıçtaki parçacığınkine eşit olduğu gibi; çok kısa bir süreyle ortaya çıkıp kaybolan vektör bozonu, asla gözlenemiyor. Gerçekliğin kayıtlarına giremeyen böyle taşıyıcılara 'sanal taşıyıcı' veya parçacıklara 'sanal parçacık' deniyor.

Temel parçacıkların bir de; karmaşık parçacıklarda da olduğu gibi; karşıtlarıyla bir araya gelip, birbirlerini yoketmeleri söz konusu. Böyle bir yokedilme durumunda, madde ve karşıt madde parçacıkları kafa kafaya gelip çarpıştıklarında; kütleleri dahil, taşıdıkları enerjinin tümünü, çok yüksek enerjili, sanal bir kuvvet taşıyıcı parçacığa dönüştürüyorlar. Bu taşıyıcı; bir foton veya gluon, ya da W veya Z bozonu olabiliyor ve çok kısa bir süre içerisinde başka parçacıklara dönüşüyor. Ağır parçacıkları yapay olarak oluşturmakta kullanılan bu süreç, bir temel parçacığın bir diğerine dönüşmesinden farklı bir durum. Çünkü dönüşümler 'çeşni' değişimi anlamına gelirken, yokedilme süreçlerinde çeşni değişiminden söz edilemiyor. Temel parçacıkların dönüşümlerine, sadece zayıf etkileşim, tek başına aracılık edebilirken; yokedilme süreçlerinde, elektromanyetik ve güçlü kuvvetler de etkin oluyor. Çünkü yandaki şekilden de görüleceği üzere; güçlü kuvvetin taşıyıcısı olan gluon, renk değişiminin söz konusu olduğu dönüşümlerde devreye girmek zorunda. Zayıf etkileşimin taşıyıcısı olan W+ ve W- bozonları ise, hem çeşni ve hem de elektrik yükü değişimlerini içeren dönüşümlerin aracısı.

Zayıf etkileşimi zaten, diğerlerinde olduğu gibi, geleneksel bir kuvvet şeklinde algılamak mümkün değil. Bu etkileşim sadece, parçacık değişimleri sırasında etkinlik kazanıp, varlığını gösteriyor. Temel parçacık dönüşümlerinin, yani çeşni değişimlerinin; tümünden ve tek başına sorumlu. Yokedilme süreçlerinin ise, bazı aşamalarında rol oynuyor. Ki bu aşamalarda da zaten, temel parçacık dönüşümleri gerçekleşiyor. Zayıf etkileşim bu işleviyle, karmaşık parçacıkların bozunma veya yokedilme süreçlerinden bazılarının, bazı aşamalarında da rol oynuyor. Taşıyıcısı olan vektör bozonlar; diğer kuvvetlerin taşıyıcıları, yani gluon, foton veya graviton gibi, kütlesiz ve yüksüz değiller. W+ W- ve Z0 parçacıklarından; ilk ikisinin 80, üçüncüsünün de 91 GeV'a eşdeğer, oldukça ağır kütleleri; ilk ikisinin ise yükleri var. Parçacıkların değişim veya yokediliş süreçlerinde; bu vektör bozonlardan herhangi birisi, fakat sadece birisi rol oynayabiliyor. W+ ile W- çeşni değişimlerine yol açabilirken, Z0 çeşni değiştirmiyor.

Evrenin erken aşamalarındaki sıcak halinde, II. ve III. nesil ağır kuarkların bolca üretildiği; ancak bunların zamanla bozunarak, şimdiki görünen yapılara vücut veren, I. nesil hafif kuarklara dönüştüğü düşünülüyor. Bu dönüşümlere aracılık eden ağır vektör bozonlar, o zamanlar etrafta bolca vardı. Şimdi ise etkileri artık, laboratuvarlarda gerçekleştirilen parçacık çarpıştırma deneylerinde gözlenebiliyor. Gelelim temel parçacık bozunmalarına. Aslında, temel parçacıkların bozunduğunu söylemek pek doğru değil. Çünkü iç yapılarının olmaması gerekiyor. Ama değişerek, başka temel parçacıklara dönüşebiliyorlar. Dolayısıyla; temel parçacık değişimlerine 'dönüşüm', karmaşık parçacıklarda yer alan iç yapı değişikliklerine ise, 'bozunma' demek daha doğru görünüyor. Fakat biz yine de, her ikisi için aynı, 'bozunma' sözcüğünü kullanacağız.

Kuark Dönüşümleri:
Kuarklar tek başlarına gözlenemediğinden, bozunmaları, dolaylı etkileri sonucunda gözlemlenebiliyor. Çünkü bir kuark bozunduğunda, yapısında yer aldığı parçacığın kimliği değişiyor. Örneğin, nötronun protona bozunmasında olduğu gibi.

Nötronun protona bozunması, yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi; içindeki aşağı kuarklardan birinin, sanal bir W- parçacığı aracılığıyla, yukarı kuarka dönüşmesi sonucu gerçekleşiyor. W- parçacığı hızla, bir elektron ve elektron karşıt nötrinosuna dönüşüyor.

Bozunmanın aşamaları şöyle:

1. aşama, iki aşağı ve bir yukarı kuarktan oluşan nötronla başlıyor.

2. aşamada, aşağı kuarklardan birisi, yukarı kuarka dönüşüyor. Aracı, tüm temel parçacık dönüşümlerinde olduğu gibi, bir W bozonu olmak zorunda. Elektrik yükü -1/3 olan aşağı kuarkın, +2/3 yüklü yukarı kuarka dönüşmesi sırasında elektrik yükünün korunabilmesi için, bu W bozonunun -1 yük taşıması gerekiyor. Öte yandan, aşağı kuark, dönüştüğü yukarı kuarktan daha hafif olduğundan, dönüşümün aracılığını sanal bir W- bozonu yapıyor.
3. aşamada; yeni oluşan yukarı kuark, W- bozonundan sekiyor ve nötron protona dönüşmüş oluyor.
4. aşamada; sanal W- bozonu, bir elektronla elektron karşıtnötrinosuna dönüşüyor.

(tekrar)
5. Proton, elektron ve karşıtnötrino birbirlerinden uzaklaşıyor.
Görüldüğü gibi, bu bozunma süreci içinde yer alan kuark dönüşümü; W- bozonunun, yani zayıf etkileşimin aracılığıyla gerçekleşiyor. Sürecin ara aşamaları, yaklaşık 10-24 saniyede tamamlanıyor ve dolayısıyla gözlenemiyor.
Ağır kuarkların daha hafif kuarklara dönüşümü, parçacık çarpışmalarında sık gerçekleşen bir olay. Örneğin, bir tılsım kuark (c), kendisinden daha hafif olan garip kuarka (s) dönüşebiliyor. Bu dönüşümün aracılığı W+ bozonu tarafından yapılıyor ve aracı bozon daha sonra, yukarı ve aşağı kuarklara yol açıyor.

Kuark Yokedilişleri:

Bir protonla karşıt protonun yüksek enerjilerle çarpışması sırasında, protondaki bir yukarı kuarkla, bu kuarkın karşıt protondaki karşıtı; güçlü etkileşimin aracılığıyla birbirlerini yok ederek, bir üst kuarkla karşıtını oluşturabilirler. Üst kuark, en ağır kuark olduğundan, aracı gluonlar sanal olmak zorundadır. Üst kuarkla karşıtı daha sonra, diğer parçacıklara dönüşür.

Bu sürecin aşamaları da şöyle:

1. aşamada, protondaki bir kuarkla, karşıt protondaki karşıtı, çarpışmayısa doğru yol alıyor.
2. aşamada, kuarkla karşıtının çarpışarak, güçlü etkileşimin aracılığıyla birbirini yok etmesi sonucu,
3. aşamada, sanal gluonlar ortaya çıkıyor.
4. aşamada, gluon bulutu, bir üst kuarkla karşıtına dönüşüyor.
5. aşamada, bu kuarklar birbirlerinden uzaklaşmayısa başlayınca; aralarındaki, gluonlardan oluşan güçlü kuvvet alanı geriliyor.
6. aşamada, üst kuarkla karşıtı birbirlerinden fazla uzaklaşamadan, iki W bozonu aracılığıyla, bir alt kuarkla karşıtına dönüşüyorlar. Üst kuarkın elektrik yükü +2/3, alt kuarkınki -1/3 olduğundan, birinci bozon W+ ; karşıtlarınınki ise, sırasıyla -2/3 ve +1/3 olduğundan, ikinci bozon W- olmak zorunda. Öte yandan, üst kuarkla karşıtı, alt kuarkla karşıtından daha ağır olduğundan, bu bozonlar sanal değil, gerçek.

7 . aşamada, yeni oluşan alt kuarkla karşıtı, W bozonlarından sekiyor. Uzaklaşırlarken aralarındaki güçlü kuvvet alanı geriliyor ve nihayet koptuğunda, ortaya bir aşağı kuarkla karşıtı çıkıyor..
8. aşamada, W- bozonu, bir elektronla karşıt nötrinosuna, W+ bozonu ise, bir yukarı kuarkla bir aşağı kuarka dönüşüyor. Bu arada, birbirinden uzaklaşmakta olan yukarı kuarkla, aşağı karşıtkuark, aralarındaki güçlü kuvvet alanını geriyor.
9. aşamada; aşağı kuarkla alt karşıtkuark bir araya gelip B0 mezonunu; aşağı karşıtkuarkla da alt kuark bir araya gelip karşıt karşıt B0 mezonunu oluşturuyor. Bu arada, yukarı kuarkla aşağı karşıtkuark arasındaki alan kopuyor ve ortaya bir tılsım kuarkla karşıtı çıkıyor.
10. Elektronla karşıt nötrinosu, B0 mezonuyla karşıtı ve yeni oluşan D mezonları, hepsi birbirlerinden uzaklaşıyor.

Görüldüğü gibi, bu karmaşık süreçte; hem gluonlar, yani güçlü etkileşim ve hem de W bozonları, yani zayıf etkileşim, birlikte rol oynuyor. Kuark yokedilmesi gluonlar, dönüşümleri ise W bozonlarının aracılığı ile gerçekleşiyor. Sürecin ara aşamaları, yaklaşık 10-24 saniyede tamamlanıyor ve dolayısıyla gözlenemiyor.
Bir mezonun yapısındaki kuarklardan birisi dönüşüme uğradığında, mezon kimlik değiştiriyor. Bunlar da mezon bozunmaları...

Lepton Bozunmaları:

6. aşamada, kuarklar birbirinden uzaklaşmayısa devamla, güçlü kuvvet alanını kopma noktasına getiriyor.
7. aşamada, güçlü kuvvet alanı kopuyor ve depolamış olduğu potansiyel enerji, bir aşağı kuarkla karşıtına dönüşüyor.
8. aşamada, aşağı kuarkla karşıtı birbirlerinden uzaklaşmayısa başlıyor.
9. aşamada, aşağı kuarkla karşıtı, sırasıyla, tılsım karşıtkuark ve tılsım kuarkla eşleşmeye yöneliyor.
10. aşamada; kuark ikilileri birbirlerinden yeterince uzaklaşarak, renk yükü nötür olan D+, D- mezon çiftini oluşturmuş oluyor ve mezonlar birbirlerinden uzaklaşıyor.

Görüldüğü üzere, bu yokedilme sürecinin, güçlü veya elektromanyetik etkileşimlerden herhangi birisinin aracılığı ile gerçekleşmesi mümkün. Çarpışan elektron ve pozitronun her birinin enerjisi en az 45.5GeV düzeyinde ise, 91GeV'luk ağır Z0 parçacığı oluşabiliyor. Z0 daha sonra, 10-24 saniye gibi kısa bir sürede bozunuyor. Z0'ın; buradaki şekilde bir tılsım kuarkla karşıtına bozunduğu gösteriliyor olmakla beraber, bir leptonla karşıtına bozunması da mümkün. Hangi kanalı izleyeceği, toplamı 1 olan olasılıklar çerçevesinde belirleniyor. Sürecin ara aşamaları, yaklaşık 10-24 saniyede tamamlanıyor ve dolayısıyla gözlenemiyor.
Diğer lepton bozunmalarına gelince... Gerçi muon bozunmalarına daha önce değinilmişti.

Orta ağırlıktaki lepton olan µ- ile karşıtı µ+ muonları; atmosferin onlarca kilometre yükseklikteki üst katmanlarını sürekli olarak bombardıman eden kozmik ışınlar tarafından üretiliyor. Kozmik ışınların ana bileşenlerinden birini, protonlar ve karşıtprotonlar oluşturuyor. Karşıtprotonlar atmosfer moleküllerindeki protonlardan biriyle çarpıştığında, yokedilme süreci sonrasında, yeni parçacıklar ve çoğunlukla da π mezonları oluşuyor.

Bu mezonlar, diğer parçacıkların yanında, muonlara da bozunuyor. Yarı ömrü 2.2 mikrosaniye olan muonlar da keza diğer parçacıklara; pozitron, elektron ve nötrinolara bozunuyor. Gerçi çok yüksek hızlarla hareket ediyor olmalarına karşın, onlarca kilometreyi katedip, deniz seviyesine ulaşamamaları gerekiyor. Halbuki yeryüzündeki sis odası belirleyicilerinde (dedektör) gözlemlenebiliyorlar ve bu durum zamanın, relativite kuramının öngördüğü şekilde genişlemesinin bir kanıtını oluşturuyor. Çünkü, kendi referans sistemlerinde kısa olan yarı ömürleri (t0), bizlerin 'laboratuvar sistemi'nde, yeryüzüne ulaşmalarını mümkün kılacak kadar uzamış (t) oluyor. (t=t0.(1-v2/c2)-1/2)

Yandaki sis odası fotoğrafında; alttan giren bir karşıtprotonun, yaklaşık durağan bir protona çarparak yokedilişi görülüyor.
Bu olayda 8 pion üretilmiş. Bunlardan birisi, karşıt muon (µ+) ile nötrinosuna bozunmuş Artı ve eksi yüklü pionlar, manyetik alan içerisinde zıt yönlere kıvrılıyor. Fakat yüksüz olan nötrino iz bırakmıyor.

En ağır lepton olan tau parçacığı, 1970'li yıllarda, 5GeV düzeyine ulaşan parçacık çarpıştırma deneyleri sırasında keşfedildi. Elektronun 3,500 katı ağırlıkta olan bu lepton, kararsız olup; diğer leptonlara, ya da bir veya daha fazla hadrona bozunuyor. Yarı ömrü 0.3 pikosaniye düzeyinde olduğu için, doğrudan gözlenemiyor. Varlığı ancak, bozunma ürünlerinin gözlenmesi sayesinde kantılanmış oluyor. Örneğin yandaki şekilde, orta kısımda oluşmuş bulunan τ+ ve τ- çiftinden her birinin bozunma şemaları görülüyor. Ağır tau leptonuyla karşıtı, oluşma noktalarından birkaç milimetre ötede bozunuyor ve doğrudan gözlenemiyorlar. Nötrinolar da keza gözlenemiyor. Fakat elektronla muon, belirlenebiliyor.

Ağır bir lepton bozunduğunda, ortaya çıkan parçacıklardan birisi daima, kendi nötrinosu oluyor. Diğer parçacıklar ise; ya bir kuarkla karşıtı; ya da daha hafif bir leptonla, bu leptonun karşıtnötrinosu olabiliyor. Öte yandan, bazı lepton bozunmaları hiç gözlenemiyor. Bu; bazı lepton bozunmaları mümkün iken, diğerlerinin imkansız olması gerektiğine işaret ediyor.
Bu durumu açıklamak için leptonlar, ikişer elemanlı üç aileye ayrılıyor: Elektron ve nötrinosu, muon ve nötrinosu, tau ve nötrinosu. Herhangi bir leptonun hangi aileye ait olduğunu ve hangi diğer ailelere ait olmadığını belirtmek için, birer sayı kullanılıyor: Elektron sayısı, muon sayısı, tau sayısı. Şöyle ki;

• elektron sayısı; elektron ve elektron nötrinosu için +1, pozitron ve elektron karşıtnötrinosu için -1, tüm diğer leptonlar için 0,
• muon sayısı; muon ve nötrinosu için +1, karşıt muon ve muon karşıtnötrinosu için -1, tüm diğer leptonlar için 0,
• tau sayısı; tau ve nötrinosu için +1, karşıt tau ve tau karşıtnötrinosu için -1, tüm diğer leptonlar için 0 oluyor.

Lepton bozunmalarıyla ilgili önemli bir saptama şu: Ağır bir lepton daha hafif leptonlara bozunduğunda; elektron, muon ve tau sayılarının toplamları daima korunuyor.
Örneğin bir muon bozunduğunda; muon nötrinosu, bir elektron ve elektron karşıtnötrinosuna dönüşür:

Dikkat edilecek olursa burada; bozunma öncesindeki elektron sayısı, bozunma sonrasındaki elektron sayılarının toplamına eşit ve aynı durum, muon ve tau sayıları için de geçerli. Bu ve benzeri diğer korunum yasaları, herhangi bir lepton bozunma şemasının mümkün olup olmadığını belirliyor.


Örneğin,


bozunmasında muon yok. Dolayısıyla, muon sayısı her iki tarafta 0. Tau sayısı iki tarafta da +1. Elektron sayısı sol tarafta 0, sağ tarafta; +1+(-1)=0. Bu üç sayı korunuyor. Sol tarafta muonun elektrik yükü -1, sağ tarafta ise elektronunki -1: Korunuyor. Öte yandan; sol taraftaki muon, sağ taraftaki leptonlardan daha ağır: Kütle ve enerji de keza korunuyor. O halde bu bozunma mümkün oluyor.
Burada ise, elektrik yükü korunuyor. Öte yandan, tau muondan ağır: enerji korunabilir. Bozunma öncesi ve sonrasında elektron yok. Dolayısıyla, elektron sayısı her iki tarafta 0. Tau sayısı sol tarafta +1, sağ tarafta da +1. Bunların hepsi korunuyor. Fakat muon sayısı; sol tarafta 0, sağ tarafta ise +1: korunmuyor. Bu bozunma mümkün değil.

Bu bozunmada elektrik yükü korunuyor. Elektron sayısı; sol tarafta elektron, sağ tarafta da elektron nötrinosu nedeniyle +1. Muon sayısı; sol tarafta 0, sağ tarafta ise, muon ve muon karşıtnötrinosu nedeniyle; +1+(-1)=0. Her iki tarafta da tau bulunmadığından, tau sayısı da korunuyor. Fakat; elektron muondan çok daha hafif olduğundan, enerji korunamıyor. Bu bozunma imkansız. Parçacık bozunmalarında sadece lepton sayıları korunmuyor. Baryonların da korunan bir sayısı var.

Bir sistemin baryon sayısı, sistemdeki kuarkların sayısıyla karşıt kuarkların sayısı arasındaki farkın üçte biri olarak tanımlanıyor. Bu tanım, sistemin toplam renk yükünün sıfır olması gereğinden kaynaklanıyor. Sıfır renk yükü, örneğin, belli bir renk yüküne sahip bir kuarkla, bu rengin karşıtına sahip bir karşıt kuarkı bir araya getirmekle elde edilebilir. Ki bu durumda, baryon sayısı 0 olan bir mezon elde edilmiş olur. Veya, bir nötron ya da protonda olduğu gibi, renk yükleri farklı üç kuark bir araya gelerek, sıfır renk yüküne sahip bulunan ve baryon sayısı +1 olan bir system verir. Renk yükleri farklı üç karşıt kuarkın oluşturduğu bir 'karşıt parçacık'ın baryon sayısı ise -1'dir. Bir diğer olasılık, dört kuark ve bir karşıt kuarktan oluşan 'pentakuark'tır. Ki bunun da baryon sayısı +1 olur. Kuark veya karşıt kuark içermeyen parçacıkların baryon sayısı 0'dır.
Baryon sayısı tarihsel olarak, kuarkların keşfinden önce tanımlanmış bir sayı ve korunumu aslında, kuark sayılarının korunumuna karşılık geliyor. Dolayısıyla, baryon sayıları yerine kuark sayılarının korunumundan söz etmek daha doğru bir kullanım. Bu ve benzeri korunum ilkelerinin yanında, fiziksel olayların sağlaması beklenen başka koşullar da var. Çünkü örneğin, fizik yasalarının bazı açılardan simetrik olması beklenir. İyi güzel de, aslında hepimizin az veya çok tanışık olduğu, bu 'simetri' dediğimiz şey nedir?