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.

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

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

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

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.^[2]

Тау-лептон, завдяки своїй великій масі може розпадатися дуже різноманітно^[3]:

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

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.

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.^[5]

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.^[5] Також, у деяких роботах її називали U, від unknown.

Масу тау точніше виміряв Бранделік у 1978 році в експериментах на німецькому прискорювачі DORIS.^[5]

Час життя лептона був виміряний у 1982 році кількома незалежними групами.^[5]

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

Припущення про існування ще більш важких лептонів (четвертого покоління) наразі лишається відкритим.^[6]

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.^[7][8] Проте наразі такі системи не було зафіксовано, як через важкість отримання тау-частинок, так і через дуже малий час їх життя.

• 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^[9][10].
• Ведеться пошук розпадів тау-лептона, в яких не уторюється нейтрино^[11]. 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.