Leptonen sind eine fundamentale Klasse von Elementarteilchen im Standardmodell der Teilchenphysik. Sie gehören zur Gruppe der Fermionen, was bedeutet, dass sie einen halbzahligen Spin von 1/2 besitzen und dem Pauli-Prinzip unterliegen. Im Gegensatz zu Quarks, den anderen grundlegenden Bausteinen der Materie, unterliegen Leptonen nicht der starken Wechselwirkung. Sie interagieren stattdessen über die schwache, die elektromagnetische (sofern sie geladen sind) und die Gravitationswechselwirkung.

Es gibt sechs bekannte Leptonen, die in drei Generationen oder Familien unterteilt sind. Jede Generation besteht aus einem elektrisch geladenen Lepton und einem elektrisch neutralen Neutrino. Die erste Generation umfasst das Elektron (e⁻) und das Elektron-Neutrino (νₑ). Das Elektron ist das bekannteste Lepton und ein stabiler Bestandteil von Atomen. Die zweite Generation besteht aus dem Myon (μ⁻) und dem Myon-Neutrino (νᵤ). Myonen sind viel schwerer als Elektronen und instabil; sie zerfallen mit einer sehr kurzen Lebensdauer in Elektronen und Neutrinos. Die dritte Generation beinhaltet das Tau-Teilchen (τ⁻) und das Tau-Neutrino (νᵨ). Das Tau ist das schwerste der geladenen Leptonen und extrem kurzlebig; es zerfällt in andere Leptonen oder Hadronen.

Die elektrisch geladenen Leptonen (Elektron, Myon, Tau) tragen eine Elementarladung von -1e, während ihre zugehörigen Neutrinos elektrisch neutral sind. Alle Leptonen besitzen eine Leptonenzahl, die in vielen Prozessen erhalten bleibt. Für jede Leptonenfamilie gibt es eine spezifische Leptonenzahl (Elektronenleptonenzahl, Myonenleptonenzahl, Tauonenleptonenzahl), die in den meisten bekannten Zerfällen und Reaktionen erhalten bleibt. Die Entdeckung von Neutrinooszillationen hat jedoch gezeigt, dass Neutrinos ihre Identität (ihren „Flavor“) wechseln können, was bedeutet, dass die individuelle Leptonenzahl für jede Familie nicht streng erhalten ist, wohl aber die Gesamtleptonenzahl. Diese Oszillationen sind auch ein direkter Beweis dafür, dass Neutrinos eine winzige, aber nicht-null Masse besitzen.

Leptonen spielen eine entscheidende Rolle in vielen physikalischen Prozessen. Elektronen sind die primären Ladungsträger in elektrischen Strömen und bilden die Elektronenhüllen von Atomen, die für chemische Bindungen verantwortlich sind. Neutrinos, oft als „Geisterteilchen“ bezeichnet, interagieren extrem selten mit Materie, da sie nur der schwachen Wechselwirkung unterliegen und keine elektrische Ladung besitzen. Sie entstehen in riesigen Mengen bei Kernreaktionen in Sternen (z.B. Sonnenfusion) und Supernova-Explosionen und tragen wichtige Informationen über diese Prozesse. Myonen und Tau-Teilchen werden hauptsächlich in Hochenergie-Teilchenkollisionen oder beim Zerfall anderer instabiler Teilchen erzeugt.

Die Erforschung von Leptonen, insbesondere von Neutrinos, ist ein aktives Forschungsfeld in der Teilchenphysik. Experimente suchen nach Hinweisen auf die Verletzung der Gesamtleptonenzahl, was auf Physik jenseits des Standardmodells hindeuten würde. Auch die genaue Bestimmung der Neutrinomassenhierarchie und die Suche nach sterilen Neutrinos sind zentrale Themen. Das Verständnis der Leptonen und ihrer Wechselwirkungen ist grundlegend für unser Wissen über die fundamentalen Bausteine des Universums und die Kräfte, die sie regieren.