四半世紀前、マーティン・パールは新しい粒子、タウ・レプトンを発見しました。 この弱く相互作用する粒子は非常に重いので、強く相互作用する粒子に崩壊
し、非常に特殊な物理条件を提供することができる。 図1：ミュー粒子の崩壊
1975年にマーティン・パールはスタンフォード大学SLACのSPEARリングで電子-陽電子衝突により新しい外来レプトンを発見しました。 電荷を持ったタウ(tau)
はミューオンと電子の重い兄弟であることがわかりました。 タウはミューオンの170倍、電子の3500倍の重さで、そのような粒子として期待される性質をおおよそ備えています。 その非常に短い寿命（2.9 x 10-12 s）とその崩壊における目に見えない粒子（ニュートリノ）の存在のために，タウの詳細な調査は，その発見以来ずっと実験的な挑戦であった。 LEP 検出器の非常に優れた粒子識別と最新のシリコン
マイクロバーテックス技術の使用は、タウを調査するための素晴らしい環境を作り出した。
同時に、コーネル大学の CESR 電子陽電子リングの CLEO II 検出器
は、1000 万対以上のタウを集め、珍しいタウ崩壊を研究できるようにした。 その結果、タウの物理は精密なテストができるレベルに達した。
Lepton universality
異なる
族の存在は、素粒子物理学の最も重要な未解決問題の一つである。 標準電弱理論の基本的な物質構造である上下クォーク（電子と電子ニュートリノ）には，同じ相互作用を持つ2つの重い複製があるように見える。チャームとストレンジクォークはミューオンとミューオンニュートリノ，トップとボトムクォークはタウレプトンとそのニュートリノを持つ。 しかし，重い方の系列は質量の生成に関係するどんな力学に対してもより
敏感であることが予想される。 このため，タウは我々の理解におけるこれらのギャップを調査するために用いるのに理想的な粒子となっています。 タウは本当に電子やミューオンと同じなのでしょうか。
標準模型ではタウはミューオンと同じように崩壊します。 しかし，タウは重いので，運動学的に
いくつかの特別な崩壊様式が利用可能です。 タウは適切なニュートリノを伴ってより軽い電子やミューオンの兄弟にレプトン崩壊するか，あるいは
クォークに崩壊することができる。 クォークは3つの異なる「色」で現れることができるので，ハドロン崩壊の確率は
レプトニック崩壊の3倍です。 タウ崩壊の詳細な解析は，測定された分岐率と
標準模型の予測との間の優れた一致を示している。
異なるタウ崩壊をミューオンと荷電ピオンの弱い崩壊と比較することにより，異なるレプトンが同じ強さでWに結合するかどうか
検証することが可能である。 現在のところ0.2%の実験精度で，電子，ミューオン，タウは全く同じWの相互作用を持っているように見えます。
中性Z粒子への
レプトン結合は，LEPとSLC（SLAC，Stanford）で，電子-陽電子衝突における
レプトン-アンチレプトン生成の研究を通して正確に測定されています。 5671>
タウは検出器内で崩壊するため（LEPで生成された
タウは崩壊する前に2.2mm移動する（CLEOで生成されたタウは0.24mm移動する））、最終崩壊生成物の
分布からそのスピン方向（偏光）を測定することが可能である。 今回のデータは、左巻きのタウだけが崩壊することを示している。 これは標準模型とよく一致する。 5671>
強い相互作用を持つレプトン
レプトンは強い相互作用のグルオンキャリアとカップリングしません。 しかし、レプトン
から放出される電弱ボゾンは、強い相互作用のある粒子であるクォークを生成することができます。 電子とミューオンは微小な量子力学的な補正を通して間接的にこの効果を感じるだけです。 5671>
1988年から1992年にかけて、 Eric Braaten、 Stephan Narisonと筆者による一連の論文は、
タウのハドロン崩壊が第一原理から、量子色力学（QCD）結合
の関数として理論的に予測できることを示した。崩壊で生じる可能なすべてのハドロンを合計すると、
クォークのハトロンへの雑な再配列に関する問題を回避することができたのだ。 崩壊確率はクォークとグルーオンの観点からより基本的なレベルで計算することができる。 5671>
1992年にオルセーの Michel Davier
が率いる LEPH の ALEPH グループによって、大規模な実験的取り組みが開始された。 これはすぐに他の実験から同様の仕事が続いた。 LEPの4つの共同研究機関とCLEOは、すべて独自の
asの測定を行っている。 さらに、ALEPHとOPALは、
最終崩壊ハドロンの分布を注意深く分析することによって、小さな非摂動補正を個別に測定し、
理論的期待値によく一致する値を得ることができた。 Zボゾンのハドロン崩壊から抽出された値0.119±0.003はタウ崩壊の
測定値と11の標準偏差で異なる。
これらの二つの測定値の比較は我々の現在の
場の量子論に対する理解において基本的に重要である。 量子補正は主に粒子-反粒子ペアの仮想生成によって発生し、
エネルギースケールに依存した方法で裸の結合の値を変更する。 これは非常に重要な効果で、
非アベリアン・ゲージ場の理論（電弱理論や QCD など）の文脈では、1999 年にノーベル賞を受賞した ‘t Hooft and
Veltman の研究に深く関わっています。
Gross, Politzer and Wilczek は、非アベリウス理論では量子効果により、
結合がエネルギーを増大させるに従って減少するという “asymptotic freedom” を生じることを示しました。 漸近的自由は，高エネルギー実験において，クォークがほぼ自由な粒子であると感じる理由
を説明し，低エネルギーではハドロン内に強く閉じ込められていることを明らかにした。 タウは強い結合をきれいに測定できる最も低いエネルギースケールを提供し、漸近的自由を定量的に検証する機会を与えるものである。 理論的に予測されるasのエネルギー依存性を用いて，タウ質量でのas
の測定は，Z質量スケールでのasの予測に変換することができる。 0.1208 ± 0.0025. この
値はハドロンZ崩壊からの直接測定とほぼ一致し、同様の精度を持つ。
タウ崩壊は
偶数個のパイ中間子を生成し、光子に関連するハドロン真空偏光効果の測定にも使用されてきた。 したがって、LEPエネルギーにおいて電磁波の微細構造定数がどのように変化するかを見積もることが
可能である。 このパラメータの不確かさは，LEP/SLDデータからHiggs質量を抽出する際の主な制約の1つです。 5671>
同じタウのデータでミューオンの異常な
磁気モーメントへのハドロン寄与を突き止めることができる。
Weighing the strangequark
タウ崩壊の約3%はストレンジクォークを生成する。 4つのLEP実験がこれらの崩壊を調査しています。 特にALEPHはタウ崩壊におけるカオンの生成とそれに伴う最終的なハドロンの分布を
解析している。 ダウンクォークを生成する崩壊とストレンジクォークを生成する崩壊の差はダウンクォークとストレンジクォークの質量の差に敏感である。 ダウンクォークの方がはるかに軽いので，ALEPHの測定はタウ質量
スケールでのストレンジクォークの質量の良い決定に変換することができる。
クォークの質量もエネルギーに依存し、高いエネルギーではクォークの重さは小さくなり（低いエネルギーでは大きくなる）、
たとえば1 GeVではストレンジクォークの質量は164 ± 33 MeVとなる。 これらの測定結果は，K中間子物理学におけるCP対称性の破れの理論的予測に対して重要な意味を持ちます。 5671>
タウ崩壊のデータは標準模型の枠組みを超えた新しい物理の兆候を広範囲に渡って探っている。 その巨大なデータサンプルを使って、CLEOは40の禁じられたタウの崩壊モードを探した。 正の信号は見つからず，これはニュートリノのない最終状態への多くの崩壊の確率に（数百万分の一の）厳しい上限を課している。 タウの異常な電気的
および磁気的な電弱双極子結合とCPを破る可能性のある崩壊振幅も探索されたが，結果は否定的であった。 5671>
タウ崩壊はニュートリノを伴うので，
ハドロンのタウ崩壊の運動論的解析により，タウのニュートリノの質量の上限が18.2MeVとなる。 しかし，これまで誰も
タウニュートリノを検出することができませんでした。 5671>
これは，タウミュオニュートリノ振動と約0.003eV2のニュートリノ質量二乗の差を示唆する最近のニュートリノの結果を考慮すると，重要な目標であると言えます。 これらの結果は新世代の長基線ニュートリノ実験によって
確認される可能性がある。 しかし、まだ多くの改善の余地があり、間違いなく、タウは新しい物理の継続的な探索において重要な役割を果たし続けるでしょう。