Negyedszázaddal ezelőtt Martin Perl felfedezett egy új részecskét: a tau leptont. Ez a gyenge kölcsönhatású részecske olyan nehéz, hogy képes
erős kölcsönhatású részecskékre bomlani, és nagyon különleges fizikai feltételeket biztosít. Ezt írja le itt Antonio Pich, a tau-specialista hosszú ideje.
1975-ben Martin Perl egy új egzotikus leptont talált az elektron-pozitron ütközésekben a stanfordi SLAC-ben lévő SPEAR gyűrűben. Az elektromosan töltött tau
kiderült, hogy a müon és az elektron nehéz testvére. A tau 170-szer nehezebb, mint a müon és 3500-szor nehezebb, mint az
elektron, és nagyjából olyan tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek egy ilyen részecskétől elvárhatók. Nagyon rövid élettartama (2,9 x 10-12 s) és a bomlásaiban
láthatatlan részecskék (neutrínók) jelenléte miatt a tau részletes vizsgálata a felfedezése óta
kísérleti kihívást jelentett.
A CERN LEP elektron-pozitron ütköztetőjének négy kísérlete az elmúlt néhány évben egy-egy nagyon tiszta mintát
(mintegy 0,2 millió), alacsony háttérrel rendelkező tau-párokat állított elő. A LEP detektorok nagyon jó részecskeazonosítása és a modern szilícium
mikrovertex technológiák alkalmazása csodálatos környezetet teremtett a tau vizsgálatához.
A Cornell CESR elektron-pozitron gyűrűn található CLEO II detektor
ugyanakkor több mint 10 millió tau párt gyűjtött össze, ami lehetővé tette a ritka tau-bomlások vizsgálatát. Ennek
eredményeként a tau-fizika elérte azt a szintet, ahol pontos vizsgálatokat lehet végezni.
Lepton univerzalitás
A különböző
családok létezése a részecskefizika egyik legfontosabb nyitott kérdése. Úgy tűnik, hogy a standard elektrogyenge elmélet alapanyagszerkezetének a
felfelé és lefelé mutató kvarkokkal (az elektron és az elektron neutrínó) két azonos kölcsönhatású, nehezebb másolata van: a bájos és
különös kvarkok a müonnal és a müon neutrínóval; valamint a felső és alsó kvarkok a tau leptonnal és annak neutrínójával.
Nem
értjük, mi okozza ezt a háromféleséget, és azt sem tudjuk, mi hozza létre a különböző tömegeket. Arra számítunk azonban, hogy a nehezebb család sokkal
érzékenyebb arra, hogy milyen dinamika kapcsolódik a tömeg keletkezéséhez. Ez teszi a taut ideális részecskévé arra, hogy megvizsgáljuk ezeket a hiányosságokat
az ismereteinkben. A tau valóban azonos az elektronnal és a müonnal?
A Standard Modellben a tau ugyanúgy bomlik, mint a
muon: egy W-bozon kibocsátásával (az 1. és 2. ábrán látható). A tau nehézsége azonban több extra bomlási módot tesz kinematikailag
megközelíthetővé. A tau vagy leptonikusan bomolhat könnyebb elektron és müon testvéreire, megfelelő neutrínók kíséretében, vagy
bomolhat kvarkokra. Mivel a kvarkok három különböző “színben” jelenhetnek meg, a hadronikus bomlás valószínűsége háromszor nagyobb, mint a
leptonikus bomlásé. A tau-bomlások részletes elemzése kiváló egyezést mutat a mért elágazási frakciók és a
Standard Modell előrejelzései között.
A különböző tau-bomlásokat összehasonlítva a müon és a töltött pion gyenge bomlásával, tesztelhetjük
, hogy a különböző leptonok azonos erősséggel kapcsolódnak-e a W-hez. A jelenlegi (és lenyűgöző) 0,2%-os kísérleti pontosságon belül úgy tűnik, hogy az
elektron, a müon és a tau pontosan ugyanolyan W kölcsönhatásban van. Ugyanezt a megfigyelést közvetlenül a
W bomlások elemzéséből is meg lehet tenni a LEP II-n és a proton-antiproton ütköztetőkön, bár a jelenlegi kísérleti érzékenység ebben az esetben nem olyan jó.
A
leptonikus csatolásokat a semleges Z részecskéhez pontosan megmérték a LEP-en és az SLC-n (SLAC, Stanford), az elektron-pozitron ütközésekben történő
lepton-antilepton termelés vizsgálatával. A kísérleti adatok ismét azt mutatják, hogy a három ismert lepton a Z-bozonnal azonos
kölcsönhatásban van, a kísérleti érzékenység jelenlegi szintjén.
Mivel a tau a detektoron belül bomlik – a LEP-en előállított
tau 2,2 mm-t tesz meg a bomlás előtt (a CLEO-n előállított tau 0,24 mm-t tesz meg) -, a végső bomlástermékek
eloszlásából meg lehet mérni a spinorientációját (polarizációját). A jelenlegi adatok azt mutatják, hogy csak balkezes tauk bomlanak. Ez jó összhangban van a standard
modellel. A jobbkezes tau (tiltott) bomlásának valószínűségére 3%-os felső határt állapítottak meg.
Egy lepton erős kölcsönhatással
A leptonok nem kapcsolódnak az erős kölcsönhatás gluonikus hordozóihoz. Egy lepton
által kibocsátott elektrogyenge bozon azonban kvarkokat hozhat létre, amelyek erős kölcsönhatású részecskék. Az elektronok és a müonok csak közvetve, apró kvantum
korrekciók révén érzik ezt a hatást. A nehezebb tau hadronikusan tud bomlani, ami a taut egyedülálló eszközzé teszi az erős kölcsönhatás dinamikájának tiszta
módon történő tanulmányozására.
Eric Braaten, Stephan Narison és a szerző 1988 és 1992 között egy sorozatban kimutatta, hogy a
tau hadronikus bomlása elméletileg megjósolható első elvekből, a kvantumkromodinamikai (QCD) csatolás függvényében
A bomlás során keletkező összes lehetséges hadronon összegzésével elkerülhetők a kvarkok hadronokká való rendezetlen
átrendeződésével kapcsolatos problémák. A bomlási valószínűség így alapvetőbb szinten kiszámítható a kvarkok és gluonok szempontjából.
Az eredmény harmadrendig ismert egy perturbatív kiterjesztésben az as hatványaiban. Az
elméleti jóslatok összehasonlítása a kísérleti mérésekkel az as pontos meghatározását adja
a tau tömeg tartományában.
Kiterjedt kísérleti erőfeszítést kezdeményezett 1992-ben egy ALEPH csoport a LEP-en, amelyet Michel Davier
vezetett Orsay-ban. Ezt hamarosan más kísérletek hasonló munkái követték. A négy LEP-kollaboráció és a CLEO mindegyike elvégezte saját
méréseit az as. Sőt, az ALEPH és az OPAL a
végső bomlási hadronok eloszlásának gondos elemzésével külön-külön meg tudta mérni az apró nem-turbatív korrekciókat, és az
elméleti várakozásokkal jó összhangban lévő értékeket kapott.
A kapott meghatározás, as
(mt) = 0,345 ± 0,020, azt mutatja, hogy a tau tömegskálán mért csatolás nagyon eltér a magasabb energiáknál kapott
értékektől. A Z-bozon hadronikus bomlásaiból kinyert érték, 0,119 ± 0,003, tizenegy standard eltéréssel tér el a tau-bomlás
méréstől.
A két mérés összehasonlítása alapvető fontosságú a kvantumtérelmélet jelenlegi
megértésén belül. A kvantumkorrekciók, amelyek főként részecske-antirészecske párok virtuális előállítása révén keletkeznek,
az energiaskálától függő módon módosítják a csupasz csatolások értékeit. Ez egy nagyon fontos hatás, amely a
nem-abeli gauge-mezőelméletek (mint az elektrogyenge elmélet vagy a QCD) összefüggésében mélyen kapcsolódik ‘t Hooft és
Veltman 1999-es Nobel-díjas munkájához.
Gross, Politzer és Wilczek kimutatták, hogy a nem-abeli elméletekben a kvantumhatások “aszimptotikus szabadságot” eredményeznek, amelyben
a csatolás az energia növekedésével csökken. Az aszimptotikus szabadság megmagyarázza, hogy a nagyenergiás kísérletek miért érzik a kvarkokat majdnem szabad részecskéknek,
míg alacsony energiáknál erősen a hadronokba zárva vannak. A tau biztosítja a legalacsonyabb energiájú skálát, ahol nagyon tiszta mérést lehet végezni az
erős csatolásról, ami lehetőséget ad az aszimptotikus szabadság kvantitatív módon történő tesztelésére. Az as elméletileg
megjósolt függését az energiától felhasználva az as
mérése a tau tömegen átfordítható az as előrejelzésére a Z tömegskálán: 0.1208 ± 0.0025. Ez
érték szoros összhangban van a hadronikus Z-bomlásokból származó közvetlen méréssel, és hasonló pontosságú.
Tau-bomlásokat, amelyek
páros számú piont eredményeznek, a fotonhoz kapcsolódó hadronikus vákuum-polarizációs hatások mérésére is felhasználták. Ezért
megbecsülhető, hogyan módosul az elektromágneses finomszerkezeti állandó LEP-energiáknál. Ennek a paraméternek a bizonytalansága
az egyik fő korlátja a Higgs-tömeg LEP/SLD adatokból történő kinyerésének. Az ALEPH-adatokból az Orsay-csoport 30%-kal képes csökkenteni
az illesztett log(MH) érték hibáját.
Az ugyanezen tau-adatokkal a müon anomális
mágneses momentumához való hadronikus hozzájárulást is pontosan meg lehet határozni. A közelmúltbeli ALEPH és CLEO elemzések javították az elméleti előrejelzést azzal, hogy a Brookhavenben futó E821 kísérlet közelgő méréseivel összevetve
referenciaértéket állapítottak meg.
A furcsa kvark mérlegelése
A tau-bomlások mintegy 3%-a termel furcsa kvarkot. A négy LEP-kísérlet ezeket a bomlásokat vizsgálta. Különösen az ALEPH
elemezte a tau-bomlás kaontermelését és a végső hadronok kapcsolódó eloszlását. A domináns bomlás
a down kvarkot és a furcsa kvarkot termelő bomlás
közötti különbség érzékeny a down és a furcsa kvarkok közötti tömegkülönbségre. Mivel
az előbbi sokkal könnyebb, az ALEPH-mérés a furcsa kvark tömegének jó meghatározására fordítható a tau tömeg
skálán: 119 ± 24 MeV.
A kvarkok tömege az energiától is függ; a kvarkok tömege nagyobb energiáknál kisebb (és nagyobb kisebb energiáknál nagyobb).
1 GeV-nál például a furcsa kvark tömege 164 ± 33 MeV lesz. Ezeknek a méréseknek fontos következményei vannak a CP-sértés elméleti
előrejelzésére a kaonfizikában. A BaBar és a BELLE detektorokon végzett jövőbeli tau-elemzéseknek pontosabb
meghatározást kell adniuk a furcsa kvarkok tömegéről.
A taubomlási adatokat széles körben vizsgálták a standard
modellen kívüli új fizika jeleit keresve. A CLEO hatalmas adatmintáját felhasználva 40 tiltott tau-bomlási módot keresett. Nem találtak pozitív jelet, ami
szigorú (néhány milliomodrésznyi) felső határt szab számos neutrínó nélküli végállapotba való bomlás valószínűségének. A tau anomális elektromos
és mágneses elektroweak dipóluscsatolásait és a lehetséges CP-sértő bomlási amplitúdókat is keresték, negatív
eredményekkel. A jelenlegi kísérleti pontosságon belül a tau standard leptonnak tűnik.
A tau bomlásokat neutrínók kísérik, így
a hadronikus tau bomlások kinematikai elemzése felső határt ad a tau neutrínó tömegére: 18,2 MeV. Egy
tau neutrínót azonban eddig még senkinek sem sikerült kimutatnia. A Fermilab DONUT kísérlete várhatóan hamarosan a tau-neutrínó első kísérleti bizonyítékát fogja szolgáltatni azáltal, hogy
a keletkezett taun keresztül kimutatja a nukleonnal való kölcsönhatását.
Ez fontos cél, tekintettel a közelmúltbeli neutrínó eredményekre, amelyek
tau-muon neutrínó oszcillációra és 0,003 eV2 körüli neutrínó tömegnégyzet különbségekre utalnak. Ezeket az eredményeket
az új generációs hosszú bázisvonalú neutrínókísérletekkel lehetne ellenőrizni.
25 év alatt figyelemre méltó fejlődésen mentünk keresztül a tauról és
a neutrínóiról szerzett ismereteinkben. Azonban még mindig sok lehetőség van a fejlődésre, és kétségtelen, hogy a tau továbbra is fontos szerepet fog játszani az
új fizika folyamatos kutatásában.