Před čtvrt stoletím objevil Martin Perl novou částici: tau lepton. Tato slabě interagující částice je tak těžká, že se může rozpadat
na silně interagující částice a poskytovat velmi zvláštní fyzikální podmínky. Popisuje ji zde dlouholetý specialista na tauon Antonio Pich.
V roce 1975 objevil Martin Perl nový exotický lepton ve srážkách elektronů s pozitrony na prstenci SPEAR v SLAC ve Stanfordu. Elektricky nabitý tauon
se ukázal být těžkým bratrem mionu a elektronu. Tau je 170krát těžší než mion a 3500krát těžší než
elektron a má zhruba takové vlastnosti, jaké lze u takové částice očekávat. Vzhledem k jeho velmi krátké době života (2,9 x 10-12 s) a
přítomnosti neviditelných částic (neutrin) v jeho rozpadech bylo podrobné zkoumání tauonu experimentální výzvou již od jeho
objevení.
V posledních několika letech čtyři experimenty na elektron-pozitronovém urychlovači LEP v CERNu vytvořily každý velmi čistý vzorek
tauonových párů (asi 0,2 milionu) s nízkým pozadím. Velmi dobrá identifikace částic v detektorech LEP a použití moderních křemíkových
mikrovertexových technologií vytvořily skvělé prostředí pro zkoumání tau.
Současně detektor CLEO II
v Cornellově elektron-pozitronovém prstenci CESR shromáždil více než 10 milionů tau párů, což umožnilo studovat vzácné tau rozpady. Výsledkem je, že
fyzika tau dosáhla úrovně, kdy lze provádět přesné testy.
Leptonová univerzalita
Existence různých
rodin je jednou z nejdůležitějších otevřených otázek částicové fyziky. Zdá se, že základní struktura hmoty standardní elektroslabé teorie s
vzestupným a sestupným kvarkem (elektron a elektronové neutrino) má dvě těžší repliky s identickými interakcemi: kouzelný a
podivný kvark s mionem a mionovým neutrinem; a horní a dolní kvark s tau leptonem a jeho neutrinem.
Nechápeme
, co tuto trojčlennost způsobuje, ani nevíme, co generuje různé hmotnosti. Očekáváme však, že těžší rodina bude více
citlivá na jakoukoli dynamiku související s generováním hmotnosti. Proto je tau ideální částicí, kterou můžeme použít ke zkoumání těchto mezer v našem
porozumění. Je tauon skutečně totožný s elektronem a mionem?
Ve standardním modelu se tauon rozpadá stejným způsobem jako
mion: emisí bosonu W (znázorněno na obrázcích 1 a 2). Díky své hmotnosti však tauon kinematicky zpřístupňuje několik dalších rozpadových módů
. Tauon se může buď rozpadat leptonově na své lehčí bratry elektron a mion za doprovodu příslušných neutrin, nebo se může
rozpadat na kvarky. Protože kvarky se mohou vyskytovat ve třech různých „barvách“, je pravděpodobnost hadronového rozpadu třikrát větší než
leptonového rozpadu. Podrobná analýza tauonových rozpadů ukazuje vynikající shodu mezi naměřenými větvícími zlomky a
předpověďmi standardního modelu.
Při porovnání různých tauonových rozpadů se slabými rozpady mionu a nabitého pionu můžeme testovat
, zda se různé leptony párují s W se stejnou silou. V rámci současné (a impozantní) experimentální přesnosti 0,2 % se zdá, že
elektron, mion a tauon mají přesně stejnou interakci s W. Stejné pozorování lze učinit přímo z analýzy rozpadů
W na LEP II a protonantiprotonových urychlovačích, ačkoliv současná experimentální citlivost není v tomto případě tak dobrá.
The
leptonic couplings to neutral Z particle have been accurately measured at LEP and SLC (SLAC, Stanford), through the study of
lepton-antilepton production in electron-positron collisions. Experimentální data opět ukazují, že tři známé leptony mají identickou
interakci s bosonem Z, a to na současné úrovni experimentální citlivosti.
Protože se tau rozpadá uvnitř detektoru – tau produkované
na LEP urazí před rozpadem 2,2 mm (tau produkované na CLEO urazí 0,24 mm) – lze měřit jeho spinovou orientaci (polarizaci) z
rozložení konečných produktů rozpadu. Současná data ukazují, že se rozpadají pouze levotočivé tau. To je v dobrém souladu se standardním
modelem. Pro pravděpodobnost (nepřípustného) rozpadu pravotočivého tau byla stanovena horní mez 3 %.
Lepton se silnou interakcí
Leptony se nepárují s gluonovými nosiči silné interakce. Elektroslabý boson emitovaný leptonem
však může produkovat kvarky, které jsou částicemi silné interakce. Elektrony a miony tento efekt pociťují pouze nepřímo, prostřednictvím nepatrných kvantových
korekcí. Těžší tauon se může rozpadat hadronově, což z něj činí jedinečný nástroj pro studium dynamiky silné interakce čistým
způsobem.
Mezi lety 1988 a 1992 série článků Erica Braatena, Stephana Narisona a autora ukázala, že hadronový rozpad
tau lze teoreticky předpovědět z prvních principů jako funkci spojky kvantové chromodynamiky (QCD)
as Součtem všech možných hadronů vzniklých při rozpadu se vyhneme problémům spojeným s chaotickým
uspořádáním kvarků na hadrony. Pravděpodobnost rozpadu pak lze vypočítat na fundamentálnější úrovni v termínech kvarků a gluonů.
Výsledek je znám až do třetího řádu v perturbačním rozšíření v mocninách as. Srovnání
teoretických předpovědí s experimentálními měřeními dává přesné určení as v
oblasti tau hmotnosti.
Rozsáhlé experimentální úsilí bylo zahájeno v roce 1992 skupinou ALEPH na LEP, kterou vedl Michel Davier
v Orsay. Brzy následovaly podobné práce dalších experimentů. Všechny čtyři kolaborace LEP a CLEO provedly vlastní
měření as. ALEPH a OPAL navíc díky pečlivé analýze rozdělení
konečných rozpadových hadronů dokázaly samostatně změřit drobné neperturbační korekce a získat hodnoty v dobrém souladu s
teoretickými očekáváními.
Výsledné určení as
(mt) = 0,345 ± 0,020 ukazuje, že spojka, změřená na tau hmotnostní škále, se velmi liší od
hodnot získaných při vyšších energiích. Hodnota získaná z hadronových rozpadů bosonu Z, 0,119 ± 0,003, se liší od
měření na tau rozpadu o jedenáct standardních odchylek.
Srovnání těchto dvou měření má zásadní význam v rámci našeho současného
pochopení kvantové teorie pole. Kvantové korekce, generované především virtuální produkcí párů částice-antičástice,
modifikují hodnoty holých vazeb způsobem, který závisí na energetické škále. Jedná se o velmi důležitý efekt, který v kontextu
neabelovských gauge teorií pole (jako je elektroslabá teorie nebo QCD) hluboce souvisí s prací ‚t Hoofta a
Veltmana, kteří v roce 1999 získali Nobelovu cenu.
Gross, Politzer a Wilczek ukázali, že v neabelovských teoriích dávají kvantové efekty vzniknout „asymptotické volnosti“, v níž
spojka klesá s rostoucí energií. Asymptotická svoboda vysvětluje, proč jsou kvarky při experimentech s vysokými energiemi pociťovány jako téměř volné částice,
zatímco při nízkých energiích jsou silně omezeny uvnitř hadronů. Tau poskytuje škálu s nejnižší energií, kde lze provést velmi čisté měření
silné vazby, což dává možnost testovat asymptotickou volnost kvantitativním způsobem. S využitím teoreticky
předpovězené závislosti as na energii lze měření as
na tau hmotnosti převést na předpověď as na stupnici Z hmotnosti: 0.1208 ± 0.0025. Tato
hodnota je v těsném souladu s přímým měřením z hadronových rozpadů Z a má podobnou přesnost.
Rozpady tau, které vedou k
párovému počtu pionů, byly také použity k měření efektů polarizace hadronového vakua, které jsou spojeny s fotonem. Je
tedy možné odhadnout, jak se mění elektromagnetická konstanta jemné struktury při energiích LEP. Nejistota tohoto parametru je
jedním z hlavních omezení extrakce Higgsovy hmotnosti z dat LEP/SLD. Z dat ALEPH je Orsayho skupina schopna snížit
chybu fitované hodnoty log(MH) o 30 %.
Stejná tauonová data dokáží upřesnit hadronový příspěvek k anomálnímu
magnetickému momentu mionu. Nedávné analýzy ALEPH a CLEO zlepšily teoretickou předpověď stanovením referenční hodnoty
ve srovnání s nadcházejícím měřením experimentu E821, který probíhá v Brookhavenu.
Vážení podivného kvarku
Přibližně 3 % rozpadů tau produkuje podivný kvark. Tyto rozpady zkoumaly čtyři experimenty LEP. Zejména ALEPH
analyzoval produkci kaonu v rozpadu tauonu a s tím související rozložení konečných hadronů. Rozdíl mezi dominantním rozpadem
produkujícím down kvark a rozpadem produkujícím podivný kvark je citlivý na rozdíl hmotností mezi down a strange kvarky. Protože
první z nich je mnohem lehčí, lze měření ALEPH převést na dobré určení hmotnosti podivného kvarku na stupnici hmotnosti tau
:
Například při energii 1 GeV je hmotnost podivného kvarku 164 ± 33 MeV.
Hmotnost kvarku závisí také na energii; kvarky váží méně při vyšších energiích (a váží více při nižších energiích).
Při energii 1 GeV je hmotnost podivného kvarku 164 ± 33 MeV. Tato měření mají důležité důsledky pro teoretické
předpovědi porušení CP v kaonové fyzice. Budoucí analýzy tauonů na detektorech BaBar a BELLE by měly poskytnout přesnější
určení hmotnosti podivného kvarku.
Data z rozpadu tauonů byla intenzivně zkoumána na přítomnost známek nové fyziky mimo rámec standardního
modelu. Na základě svého obrovského vzorku dat hledala sonda CLEO 40 zakázaných módů rozpadu tau. Nebyl nalezen žádný pozitivní signál, což
klade přísné horní limity (v řádu několika částí na milion) na pravděpodobnost mnoha rozpadů do konečných stavů bez neutrin. Byly také hledány anomální elektrické
a magnetické elektroslabé dipólové vazby tau a možné amplitudy rozpadu porušující CP, přičemž výsledky byly negativní
. V rámci současné experimentální přesnosti se tau jeví jako standardní lepton.
Rozpady tau jsou doprovázeny neutriny, takže
kinematická analýza hadronových rozpadů tau dává horní limit hmotnosti tau neutrina: 18,2 MeV. Dosud se však nikomu nepodařilo detekovat
tau neutrino. Očekává se, že experiment DONUT ve Fermilabu brzy poskytne první experimentální důkaz tau neutrina prostřednictvím
detekce jeho interakce s nukleonem prostřednictvím produkovaného tau.
To je důležitý cíl vzhledem k nedávným výsledkům měření neutrin, které
naznačují oscilace tau-muonových neutrin a rozdíly kvadratických hmotností neutrin kolem 0,003 eV2. Tyto výsledky by mohly být ověřeny
pomocí dlouhých neutrinových experimentů nové generace.
Za 25 let jsme zaznamenali pozoruhodný pokrok v našich znalostech o tauonu a
jeho neutrinech. Stále je však co zlepšovat a není pochyb o tom, že tau bude i nadále hrát důležitou roli v
pokračujícím hledání nové fyziky.