Tau (partikkel) - Tau (particle)

Den tau ( τ ), også kalt tau lepton , tau-partikkel , eller tauon , er en elementærpartikkel lik den elektron, med negativ elektrisk ladning og en spinn av1/2. I likhet med elektronet , muonet og de tre nøytrinoene er tau et lepton , og som alle elementære partikler med halvtallssnurr, har tau en tilsvarende antipartikkel med motsatt ladning, men lik masse og spinn. I tau-tilfellet er dette "antitau" (også kalt positiv tau ). Tau-partikler er betegnet med symbolet
τ^-
og antitausen av
τ⁺
.

Tau-leptoner har en levetid på 2,9 × 10 ⁻¹³  s og en masse på1 776, 86 MeV / c ² (sammenlignet med105,66 MeV / c ² for muoner og0,511 MeV / c ² for elektroner). Siden deres interaksjoner er veldig like elektronens, kan en tau betraktes som en mye tyngre versjon av elektronet. På grunn av sin større masse avgir ikke tau-partikler så mye bremsstrenget stråling som elektroner; følgelig er de potensielt mye mer penetrerende enn elektroner.

På grunn av sin korte levetid er rekkevidden til tau hovedsakelig satt av forfallslengden, som er for liten til at bremsstrahlung kan bli merkbar. Den gjennomtrengende kraften vises bare ved ultrahøy hastighet og energi (over petaelektronvolt- energier), når tidsdilatasjon utvider sin ellers veldig korte banelengde.

Som med tilfelle med de andre ladede leptonene, har tau en tilhørende tau-nøytrino , betegnet med
ν
_τ.

Historie

Søket etter tau startet i 1960 på CERN av Bologna-CERN-Frascati (BCF) -gruppen ledet av Antonino Zichichi . Zichichi kom opp med en ide om et nytt sekvensielt tungt lepton, nå kalt tau, og oppfant en søkemetode. Han utførte eksperimentet på ADONE- anlegget i 1969 når gasspedalen ble operativ; gasspedalen han brukte hadde imidlertid ikke nok energi til å søke etter tau-partikkelen.

Tau ble uavhengig forventet i en artikkel fra 1971 av Yung-su Tsai . Med teorien for denne oppdagelsen ble tau oppdaget i en serie eksperimenter mellom 1974 og 1977 av Martin Lewis Perl med hans og Tsais kollegaer ved Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) og Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL) -gruppen. Utstyret deres besto av SLACs daværende nye elektron-positron kollideringsring, kalt SPEAR , og LBL magnetisk detektor. De kunne oppdage og skille mellom leptoner, hadroner og fotoner . De oppdaget ikke tau direkte, men oppdaget avvikende hendelser:

Vi har oppdaget 64 hendelser av skjemaet

e⁺
+
e^-
→
e^±
+
μ^∓
+ minst to uoppdagede partikler

som vi ikke har noen konvensjonell forklaring på.

Behovet for minst to uoppdagede partikler ble vist av manglende evne til å spare energi og fart med bare en. Imidlertid ble ingen andre muoner, elektroner, fotoner eller hadroner oppdaget. Det ble foreslått at denne hendelsen var produksjon og påfølgende forfall av et nytt partikkelpar:

e⁺
+
e^-
→
τ⁺
+
τ^-
→
e^±
+
μ^∓
+ 4
ν

Dette var vanskelig å verifisere, fordi energien til å produsere
τ⁺

τ^-
par er lik terskelen for D meson- produksjon. Massa og spinn av tau ble deretter etablert ved arbeid utført på DESY- Hamburg med Double Arm Spectrometer (DASP), og ved SLAC-Stanford med SPEAR Direct Electron Counter (DELCO),

Symbolet τ stammer fra det greske τρίτον ( triton , som betyr "tredje" på engelsk), siden det var det tredje ladede leptonet som ble oppdaget.

Martin Lewis Perl delte Nobelprisen i fysikk i 1995 med Frederick Reines . Sistnevnte ble tildelt sin del av prisen for eksperimentell oppdagelse av nøytrino .

Tau forfall

Feynman-diagram over forfallet av tau ved utslipp av et W-boson utenfor skallet

Tau er det eneste leptonet som kan forfalle til hadroner - de andre leptonene har ikke den nødvendige massen. Som de andre forfallsmodusene til tau, er hadronisk forfall gjennom den svake interaksjonen .

De forgrenede fraksjoner av de dominerende hadroniske tau henfall er:

• 25,49% for forfall til et ladet pion , et nøytralt pion og en tau-nøytrino;
• 10,82% for forfall til en ladet pion og en tau-nøytrino;
• 9,26% for forfall til et ladet pion, to nøytrale pioner og en tau-nøytrino;
• 8,99% for forfall i tre ladede pioner (hvorav to har samme elektriske ladning) og en tau-nøytrino;
• 2,74% for forfall i tre ladede pioner (hvorav to har samme elektriske ladning), et nøytralt pion og en tau-nøytrino;
• 1,04% for forfall i tre nøytrale pioner, en ladet pion og en tau-nøytrino.

Totalt vil tau lepton forfalle hadronisk omtrent 64,79% av tiden.

De forgrenede fraksjoner av de felles rent leptonic tau henfall er:

• 17,82% for forfall til en tau nøytrino, elektron og elektron antineutrino;
• 17,39% for forfall til en tau-neutrino-, muon- og muon-antineutrino.

Likheten mellom verdiene til de to forgreningsfraksjonene er en konsekvens av leptons universalitet .

Eksotiske atomer

Tau lepton antas å danne eksotiske atomer som andre ladede subatomære partikler. En av disse, kalt tauonium etter analogi med muonium , består av et antitauon og et elektron:
τ⁺

e^-
.

En annen er en onium- atom
τ⁺

τ^-
kalt ekte tauonium og er vanskelig å oppdage på grunn av taus ekstremt korte levetid ved lave (ikke-relativistiske) energier som trengs for å danne dette atomet. Deteksjonen vil være en viktig test av kvanteelektrodynamikk , hvis mulig.

Se også

• smak (partikkelfysikk)
• generasjon (partikkelfysikk)
• Koide formel
• lepton

Fotnoter

Referanser

Eksterne linker

• "Nobelpris i fysikk 1995" . nobelprize.org .
• "Perls loggbok som viser tau-oppdagelse" . symmetrymag.org .
• "A Tale of Three Papers" (PDF) . slac.stanford.edu . - gir omslaget til de tre originale papirene som kunngjør funnet.