Тау-лептон

Тау-лепто́н — (від грецької букви τ, що використовується для позначення) — в стандартній моделі фізики елементарних частинок — нестійка елементарна частинка з негативним електричним зарядом і спіном 1/2. Разом з електроном, мюоном і нейтрино класифікується як частина лептонного сімейства ферміонів. Як і всі фундаментальні частинки, тау-лептон має античастинку із зарядом протилежного знаку, але з рівною масою і спіном: антитау-лептон.

тау-лептон
Склад:	фундаментальна частинка
Родина:	ферміон
Група:	лептон
Покоління:	третє
взаємодії:	електромагнітна, гравітаційна, слабка
Частинка:	тау-лептон
Античастинка:	антитау-лептон
Відкрита:	1975
Символ:	τ-
Маса:	1777 МеВ
Час життя:	2.9 ·10−13 с
Електричний заряд:	-1
Спін:	1/2

τ-Лептон був відкритий в 1975 р. на електрон-позитронному колайдері у лабораторії SLAC (Стенфорд, США). τ-Лептони утворювалися в результаті реакції:

$e^{-}+e^{+}\rightarrow \tau ^{-}+\tau ^{+}$.

Маса τ-лептона 1777 МеВ. Час життя 2.9 ·10⁻¹³ с. Тау-лептон є найважчим та найбільш короткоживучим лептоном.

Розпади

Діаграма Фейнмана — спільна для розпаду тау-лептона на інші лептони та на кварки першого покоління, що проходить через емісію W-бозона.

τ-лептон є єдиним лептоном, який може розпадатися на адрони, в той час як інші занадто легкі для цього. Як і інші канали розпаду, адронний розпад проходить завдяки слабкій взаємодії.

Тау-лептон, завдяки своїй великій масі може розпадатися дуже різноманітно:

Тип	Канал розпаду	Ймовірність
Лептонний	$e^{-}{\overline {\nu }}_{e}\nu _{\tau }$	17,85 %
Лептонний	$\mu ^{-}{\overline {\nu }}_{\mu }\nu _{\tau }$	17,36 %
Адронний	$\pi ^{-}\nu _{\tau }$	10,91 %
Адронний	$\pi ^{-}\pi ^{0}\nu _{\tau }$	25,51 %
Адронний	$\pi ^{-}2\pi ^{0}\nu _{\tau }$	9,29 %
Адронний	$\pi ^{-}3\pi ^{0}\nu _{\tau }$	1,04 %
Адронний	$h^{-}4\pi ^{0}\nu _{\tau }$	0,11 %
Адронний	$K^{-}\nu _{\tau }$	0,696 %
Адронний	$K^{-}\pi ^{0}\nu _{\tau }$	0,429 %
Адронний	$K^{-}2\pi ^{0}\nu _{\tau }$	0,065 %
Адронний	$K^{-}3\pi ^{0}\nu _{\tau }$	0,049 %
Адронний	$\pi ^{-}{\overline {K^{0}}}\nu _{\tau }$	0,84 %
Адронний	$\pi ^{-}{\overline {K^{0}}}\pi ^{0}\nu _{\tau }$	0,4 %
Адронний	$\pi ^{-}{\overline {K^{0}}}K_{S}^{0}\nu _{\tau }$	0,024 %
Адронний	$\pi ^{-}{\overline {K^{0}}}K_{L}^{0}\nu _{\tau }$	0,12 %
Адронний	$K^{-}K^{0}\nu _{\tau }$	0,159 %
Адронний	$K^{-}K^{0}\pi ^{0}\nu _{\tau }$	0,159 %
Адронний	$\pi ^{-}\pi ^{+}\pi ^{-}\nu _{\tau }$	9 %
Адронний	$\pi ^{-}\pi ^{+}\pi ^{-}\pi ^{0}\nu _{\tau }$	2,7 %
Адронний	$K^{-}\pi ^{+}\pi ^{-}\nu _{\tau }$	0,287 %
Адронний	$K^{-}\pi ^{+}\pi ^{-}\pi ^{0}\nu _{\tau }$	0,077 %
Адронний	$K^{+}K^{-}\pi ^{-}\nu _{\tau }$	0,14 %
Адронний	$K^{+}K^{-}\pi ^{-}\pi ^{0}\nu _{\tau }$	0,0061 %
Адронний	$h^{-}h^{-}h^{+}2\pi ^{0}\nu _{\tau }$	0,1 %
Адронний	$h^{-}h^{-}h^{+}3\pi ^{0}\nu _{\tau }$	0,023 %
Адронний	$3h^{-}2h^{+}\nu _{\tau }$	0,0839 %
Адронний	$3h^{-}2h^{+}\pi ^{0}\nu _{\tau }$	0,0178 %
Адронний	$h^{-}\omega \nu _{\tau }$	1,99 %
Адронний	$h^{-}\omega \pi ^{0}\nu _{\tau }$	0,41 %
Адронний	$\eta \pi ^{-}\pi ^{0}\nu _{\tau }$	0,139 %
Адронний	$\eta K^{-}\nu _{\tau }$	0,0161 %

Існують і інші канали розпаду, сумарна доля яких складає менше 0,1 відсотка. У них можуть породжуватись більш важкі частинки, такі як f1(1285) і фі-мезон.

В підсумку, тау-лептон розпадається на адрони приблизно в 64.79 % випадків. Оскільки при реакції слабкої взаємодії повинно зберігатися тау-лептонне число, серед продуктів адронного розпаду завжди присутнє тау-нейтрино.

Мюонний канал розпаду має трішки меншу ймовірність через те, що маса мюона приблизно в 200 раз більша ніж електрона. Якщо б цієї в різниці в масах не було, ймовірності були б рівними, адже лептони цілком рівнозначні у взаємодії з калібрувальними бозонами, через які йде розпад.

Історія відкриття

Після відкриття мюона в 1936 році, фізики багато досліджували його природу. Існували припущення, що мюон є, в деякому сенсі, проміжною частинкою між електроном і протоном, а тому взаємодія його з нуклонами має відбуватись інакше. Проте до кінця 60-х стало зрозуміло, що, окрім маси, електрон і мюон практично однакові, тому почала набувати популярності інша гіпотеза, згідно з якою мюон та електрон належать до одної сім'ї частинок, і можуть існувати і інші, ще більш важкі заряджені лептони, кожному з яких відповідає власний тип нейтрино. Ці лептони отримали робочі назви μ', μ" і т. ін.

З 1973, коли у Стенфорді був побудований електронно-позитронний колайдер SPEAR, Мартін Перл намагався знайти на ньому важкі лептони, і у 1975 році це йому вдалося. Частинка отримала назву τ від грецького τριτον — третій. Також, у деяких роботах її називали U, від unknown.

Масу тау точніше виміряв Бранделік у 1978 році в експериментах на німецькому прискорювачі DORIS.

Час життя лептона був виміряний у 1982 році кількома незалежними групами.

За відкриття тау-лептона Мартін Перл отримав Нобелівську премію за 1995 рік.

Припущення про існування ще більш важких лептонів (четвертого покоління) наразі лишається відкритим.

Екзотичні атоми

Подібно до мюона, що може утворювати мюоній (атом, в якому мюон замінює електрон) та димюоній (мюон та антимюон, що обертаються один навколо одного), тау міг би формувати зв'язаний стан з протоном, анти-тау, анти-мюоном або позитроном. Завдяки великій масі, орбіта тау-частинки у такій системі пролягала б надзвичайно близько до другого компонента (і навіть всередині нього для важких ядер), що дозволило б дослідити надзвичайно тонкі ефекти квантової теорії. Проте наразі такі системи не було зафіксовано, як через важкість отримання тау-частинок, так і через дуже малий час їх життя.

Цікаві факти

• Завдяки існуванню аномалії в квантовій теорії поля відкриття третього покоління лептонів – тау-лептонів – означало, що обов'язково існує і третє покоління кварків (хоча їхнє передбачення було зроблено ще до відкриття тау і незалежно від нього, в 1973 році). І справді, існування третього покоління кварків було експериментально підтверджене в 1977 (b-кварк) та 1995 (t-кварк).
• Після відкриття тау-лептона вважалося очевидним існування тау-нейтрино в продуктах його розпаду, однак це було складно перевірити. Нейтрино дуже слабко взаємодіють з речовиною. Щоб визначити існування саме тау-нейтрино, необхідно спостерігати процес утворення тау-лептона у таких рідкісних взаємодіях, що є складною експериментальною задачею через короткоживучість тау-лептона. Лише 2000 року було експериментально доведено існування тау-нейтрино, що є останнім (із наразі відомих) ферміоном Стандартної моделі.
• На адронних колайдерах основним джерелом тау-лептонів є розпади зачарованих та красивих адронів, а також W і Z бозонів.
• Ведеться пошук розпадів тау-лептона, в яких не уторюється нейтрино. Такі процеси заборонені у Стандартній моделі, оскільки вони порушують закон збереження тау-лептонного числа, але можуть бути дозволеними в гіпотетичних розширеннях Стандартної моделі. Жодних порушень Стандартної моделі виявлено не було.