Тау ( τ ), также называемый тау-лептоном , тау-частицей , тауоном или тау-электроном , представляет собой элементарную частицу, похожую на электрон, с отрицательным электрическим зарядом и спином 1/2 . Подобно электрону , мюону и трем нейтрино , тау является лептоном , и, как все элементарные частицы с полуцелым спином, тау имеет соответствующую античастицу с противоположным зарядом, но равной массой и спином. В случае тау это «антитау» (также называемый положительным тау ). Частицы тау обозначаются символом
τ−
и антитаус по
τ+
.
Тау-лептоны имеют продолжительность жизни2,9 × 10−13 с и массой1 776,9 МэВ / c2 ( по сравнению с105,66 МэВ / c2 для мюонов и0,511 МэВ / c2 для электронов). Поскольку их взаимодействия очень похожи на взаимодействия электрона, тау можно рассматривать как гораздо более тяжелую версию электрона. Из-за своей большей массы тау-частицы не испускают столько тормозного излучения (тормозного излучения), как электроны; следовательно , они потенциально гораздо более проникающие, чем электроны.
Из-за короткого времени жизни, диапазон тау в основном определяется его длиной распада, которая слишком мала для того, чтобы тормозное излучение было заметно. Его проникающая способность проявляется только при сверхвысокой скорости и энергии (выше энергий петаэлектронвольт ), когда замедление времени удлиняет его в противном случае очень короткую длину пути. [6]
Как и в случае с другими заряженными лептонами, тау имеет связанное с ним тау-нейтрино , обозначаемое как
ν
τ.
Поиск тау начался в 1960 году в ЦЕРНе группой Болонья-ЦЕРН-Фраскати (BCF) под руководством Антонино Дзикичи . Дзикичи выдвинул идею нового последовательного тяжелого лептона, теперь называемого тау, и изобрел метод поиска. Он провел эксперимент на установке ADONE в 1969 году, как только ее ускоритель начал работать; однако ускоритель, который он использовал, не обладал достаточной энергией для поиска тау-частицы. [7] [8] [9]
Тау был независимо предсказан в статье 1971 года Юнг-су Цая . [10] Предоставив теорию для этого открытия, тау был обнаружен в серии экспериментов между 1974 и 1977 годами Мартином Льюисом Перлом с его и Цая коллегами в Стэнфордском линейном ускорительном центре (SLAC) и группе Лоуренса в Беркли Национальной лаборатории (LBL). [1] Их оборудование состояло из тогда еще нового электрон-позитронного коллизионного кольца SLAC , называемого SPEAR , и магнитного детектора LBL. Они могли обнаруживать и различать лептоны, адроны и фотоны . Они не обнаружили тау напрямую, а скорее обнаружили аномальные события:
«Мы обнаружили 64 события вида
е+
+
е−
→
е±
+
μ∓
+ по крайней мере две необнаруженные частицыдля которого у нас нет общепринятого объяснения».
Необходимость по крайней мере двух необнаруженных частиц была показана невозможностью сохранения энергии и импульса только с одной. Однако никаких других мюонов, электронов, фотонов или адронов обнаружено не было. Было высказано предположение, что это событие было рождением и последующим распадом новой пары частиц:
Это было трудно проверить, потому что энергия для производства
τ+
τ−
пара подобна порогу для рождения D-мезона . Масса и спин тау были впоследствии установлены в ходе работы, проделанной в DESY -Гамбург с помощью спектрометра с двумя плечами (DASP) и в SLAC-Стэнфорд с помощью прямого электронного счетчика SPEAR (DELCO),
Символ τ произошел от греческого τρίτον ( тритон , что означает «третий» на английском языке), поскольку это был третий открытый заряженный лептон. [11]
Мартин Льюис Перл разделил Нобелевскую премию по физике 1995 года с Фредериком Райнесом . Последний получил свою долю премии за экспериментальное открытие нейтрино .
Тау — единственный лептон, который может распадаться на адроны — массы других лептонов слишком малы. Как и лептонные моды распада тау, адронный распад происходит через слабое взаимодействие . [12] [a]
Фракции ветвления доминирующих адронных распадов тау следующие: [5]
В общей сложности тау-лептон будет распадаться адронно примерно в 64,79% случаев.
Фракции ветвления обычных чисто лептонных распадов тау следующие: [5]
Сходство значений двух коэффициентов ветвления является следствием универсальности лептона .
Тау-лептон, как предсказывают, образует экзотические атомы, как и другие заряженные субатомные частицы. Один из таких состоит из антитау и электрона:
τ+
е−
, называемый тауоний . [ необходима ссылка ]
Еще один — атом ония .
τ+
τ−
называемый дитауонием или истинным тауонием , который трудно обнаружить из-за сложности его образования из двух (противоположных по знаку) короткоживущих тау-лептонов. [13]
Его экспериментальное обнаружение было бы интересным испытанием квантовой электродинамики . [14]
