Ćwierć wieku temu Martin Perl odkrył nową cząstkę: lepton tau. Ta słabo oddziałująca cząstka jest tak ciężka, że może rozpadać się
na silnie oddziałujące cząstki i zapewnia bardzo szczególne warunki fizyczne. Opisuje je tutaj długoletni specjalista od tau, Antonio Pich.
W 1975 r. Martin Perl znalazł nowy egzotyczny lepton w zderzeniach elektronów z pozytonami w pierścieniu SPEAR w SLAC w Stanford. Naładowany elektrycznie taon
okazał się być ciężkim bratem mionu i elektronu. Taon jest 170 razy cięższy od mionu i 3500 razy cięższy od
elektronu i ma właściwości, jakich można oczekiwać od takiej cząstki. Ze względu na bardzo krótki czas życia (2,9 x 10-12 s) i
obecność niewidocznych cząstek (neutrin) w jej rozpadach, szczegółowe zbadanie tao było eksperymentalnym wyzwaniem od czasu jej
odkrycia.
W ciągu ostatnich kilku lat cztery eksperymenty przy zderzaczu elektronowo-pozytonowym LEP w CERN wyprodukowały bardzo czystą próbkę
par tao (około 0,2 miliona) o niskim tle. Bardzo dobra identyfikacja cząstek w detektorach LEP i zastosowanie nowoczesnych technologii krzemowych
mikrowerteksów stworzyło wspaniałe środowisko do badania tau.
W tym samym czasie detektor CLEO II
w pierścieniu elektronowo-pozytonowym CESR w Cornell zebrał ponad 10 milionów par tau, umożliwiając badanie rzadkich rozpadów tau. W rezultacie fizyka tao osiągnęła poziom, na którym można przeprowadzać precyzyjne badania.
Wszechświatowość leptonowa
Istnienie różnych
rodzin jest jednym z najważniejszych otwartych pytań w fizyce cząstek elementarnych. Podstawowa struktura materii Standardowej Teorii Elektrowęzłowej z
kwarkiem górnym i dolnym (elektron i neutrino elektronowe) wydaje się mieć dwie cięższe repliki o identycznych oddziaływaniach: kwarki wdzięczne i
dziwne z mionem i neutrinem mionowym oraz kwarki górny i dolny z leptonem tau i jego neutrinem.
Nie
rozumiemy, co powoduje tę potrójność, ani nie wiemy, co generuje różne masy. Spodziewamy się jednak, że cięższa rodzina będzie bardziej
wrażliwa na jakąkolwiek dynamikę związaną z generowaniem masy. To sprawia, że taon jest idealną cząstką, którą można wykorzystać do zbadania tych luk w naszym
zrozumieniu. Czy taon jest naprawdę identyczny z elektronem i mionem?
W Modelu Standardowym taon rozpada się w taki sam sposób jak mion: poprzez emisję bozonu W (pokazane na rysunkach 1 i 2). Jednak masa tau sprawia, że kilka dodatkowych trybów rozpadu jest kinematycznie
dostępnych. Taon może albo rozpadać się leptonowo na swoich lżejszych braci elektronów i mionów z towarzyszeniem odpowiednich neutrin, albo może
rozpadać się na kwarki. Ponieważ kwarki mogą występować w trzech różnych „kolorach”, prawdopodobieństwo rozpadu hadronowego jest trzykrotnie większe niż rozpadu
leptonowego. Szczegółowa analiza rozpadów tau pokazuje doskonałą zgodność pomiędzy zmierzonymi frakcjami rozgałęzień a przewidywaniami
Modelu Standardowego.
Porównując różne rozpady tau ze słabymi rozpadami mionu i pionu naładowanego, możemy sprawdzić
czy różne leptony sprzęgają się z W z taką samą siłą. W granicach obecnej (i imponującej) dokładności eksperymentalnej 0,2%, wydaje się, że
elektron, mion i taon mają dokładnie takie same oddziaływania W. Tę samą obserwację można wysnuć bezpośrednio z analizy rozpadów
W w LEP II i zderzaczach proton-antyproton, chociaż w tym przypadku czułość eksperymentalna nie jest tak dobra.
Sprzężenia
leptonowe z neutralną cząstką Z zostały dokładnie zmierzone w LEP i SLC (SLAC, Stanford), poprzez badanie produkcji
leptonu-antyleptonu w zderzeniach elektron-pozyton. Ponownie, dane eksperymentalne pokazują, że trzy znane leptony mają identyczne
oddziaływania z bozonem Z, na obecnym poziomie czułości eksperymentalnej.
Ponieważ taon rozpada się w detektorze – taon wyprodukowany
w LEP-ie przebywa drogę 2,2 mm przed rozpadem (taon wyprodukowany w CLEO przebywa drogę 0,24 mm) – można zmierzyć jego orientację spinową (polaryzację) na podstawie
rozkładu końcowych produktów rozpadu. Obecne dane pokazują, że rozpadają się tylko lewoskrętne tausy. Jest to zgodne z modelem standardowym
. Górna granica prawdopodobieństwa (niedopuszczalnego) rozpadu z prawoskrętnego tao wynosi 3%.
Lepton z oddziaływaniami silnymi
Leptony nie łączą się z gluonowymi nośnikami oddziaływań silnych. Jednak bozon oddziaływań elektrosłabych emitowany przez lepton
może wytwarzać kwarki, które są cząstkami silnie oddziałującymi. Elektrony i miony odczuwają ten efekt tylko pośrednio, poprzez maleńkie korekty kwantowe
. Cięższe taony mogą rozpadać się hadronowo, co sprawia, że taon jest unikalnym narzędziem do badania dynamiki oddziaływań silnych w czysty
sposób.
W latach 1988-1992, seria prac Erica Braatena, Stephana Narisona i autora pokazała, że hadronowy rozpad leptonu tau może być teoretycznie przewidziany z pierwszych zasad, jako funkcja sprzężenia chromodynamiki kwantowej (QCD)
jak Sumując wszystkie możliwe hadrony powstałe w rozpadzie, unika się problemów związanych z nieporządnym
rozmieszczeniem kwarków w hadrony. Prawdopodobieństwo rozpadu może być wtedy obliczone na bardziej fundamentalnym poziomie w kategoriach kwarków i gluonów.
Wynik jest znany do trzeciego rzędu w perturbacyjnym rozwinięciu w potęgach as. Porównanie
przewidywań teoretycznych z pomiarami eksperymentalnymi daje dokładne wyznaczenie as w
rejonie masy tau.
Rozległe prace eksperymentalne zostały zapoczątkowane w 1992 roku przez grupę ALEPH w LEP, którą kierował Michel Davier
w Orsay. Wkrótce potem podobne prace rozpoczęły się w innych eksperymentach. Cztery grupy współpracujące przy LEPie oraz CLEO wykonały własne
pomiary as. Co więcej, ALEPH i OPAL, dzięki dokładnej analizie rozkładu
końcowych rozpadów hadronów, były w stanie oddzielnie zmierzyć drobne poprawki nieperturbacyjne i uzyskać wartości w dobrej zgodności z
oczekiwaniami teoretycznymi.
Wynikające z tego oznaczenie, as
(mt) = 0,345 ± 0,020, pokazuje, że sprzężenie, mierzone w skali mas tau, bardzo różni się od
wartości uzyskiwanych przy wyższych energiach. Wartość uzyskana z hadronowych rozpadów bozonu Z, 0,119 ± 0,003, różni się od pomiaru z rozpadu tau
o jedenaście odchyleń standardowych.
Porównanie tych dwóch pomiarów ma fundamentalne znaczenie w naszym obecnym
zrozumieniu kwantowej teorii pola. Poprawki kwantowe, generowane głównie poprzez wirtualną produkcję par cząstka-antycząstka,
modyfikują wartości gołych sprzężeń w sposób zależny od skali energii. Jest to bardzo ważny efekt, który w kontekście
nieabelowych teorii pola cechowania (takich jak teoria elektrosłabości czy QCD) jest głęboko związany z nagrodzoną w 1999 roku Nagrodą Nobla pracą 't Hoofta i
Veltmana.
Gross, Politzer i Wilczek pokazali, że w teoriach nieabelowych efekty kwantowe dają początek „asymptotycznej wolności”, w której
sprzężenie maleje wraz ze wzrostem energii. Swoboda asymptotyczna wyjaśnia, dlaczego w eksperymentach wysokoenergetycznych kwarki są postrzegane jako cząstki prawie swobodne,
podczas gdy przy niskich energiach są one silnie ograniczone wewnątrz hadronów. Tau jest najniższą skalą energetyczną, w której można dokonać bardzo dokładnego pomiaru
silnego sprzężenia, co daje możliwość ilościowego sprawdzenia asymptotycznej swobody. Wykorzystując teoretycznie
przewidywaną zależność as od energii, pomiar as
w masie tau można przełożyć na przewidywanie as
w skali masowej Z: 0.1208 ± 0.0025. Ta
wartość jest w ścisłej zgodności z bezpośrednim pomiarem z hadronowych rozpadów Z i ma podobną dokładność.
Rozpadów tao, w wyniku których powstaje
równa liczba pionów, użyto również do pomiaru efektów polaryzacji próżniowej hadronów, które są związane z fotonem. Możliwe jest więc oszacowanie, jak elektromagnetyczna stała struktury subtelnej jest modyfikowana przy energiach LEP. Niepewność tego parametru jest
jednym z głównych ograniczeń w wyciąganiu masy Higgsa z danych LEP/SLD. Z danych ALEPH grupa z Orsay jest w stanie zredukować
błąd dopasowanej wartości log(MH) o 30%.
Te same dane z tau mogą określić hadronowy wkład do anomalnego
magnetycznego momentu mionu. Ostatnie analizy ALEPH i CLEO poprawiły przewidywania teoretyczne, wyznaczając wartość odniesienia do
porównania z nadchodzącymi pomiarami eksperymentu E821, który działa w Brookhaven.
Ważenie kwarków dziwnych
Około 3% rozpadów tau produkuje kwarki dziwne. Cztery eksperymenty LEP badały te rozpady. W szczególności ALEPH analizował produkcję kaonów w rozpadzie tau i związany z tym rozkład końcowych hadronów. Różnica pomiędzy dominującym rozpadem
produkującym kwark puchy, a tym produkującym kwark dziwny jest wrażliwa na różnicę mas pomiędzy kwarkami puch i dziwnymi. Ponieważ ten pierwszy jest znacznie lżejszy, pomiar z ALEPHa można przełożyć na dobre wyznaczenie masy kwarka dziwnego w skali mas tau
: 119 ± 24 MeV.
Masy kwarków zależą również od energii; kwarki ważą mniej przy wyższych energiach (a ważą więcej przy niższych).
Na przykład przy energii 1 GeV masa kwarka dziwnego staje się 164 ± 33 MeV. Pomiary te mają ważne implikacje dla teoretycznego
przewidywania łamania CP w fizyce kaonów. Przyszłe analizy tao w detektorach BaBar i BELLE powinny dostarczyć dokładniejszych
wyznaczeń masy kwarku dziwnego.
Dane dotyczące rozpadów tao były szeroko badane w poszukiwaniu śladów nowej fizyki wykraczającej poza ramy Modelu Standardowego
. Wykorzystując ogromną próbkę danych, CLEO szukał 40 zabronionych trybów rozpadu tau. Nie znaleziono żadnego pozytywnego sygnału, co nakłada rygorystyczne górne ograniczenia (rzędu kilku części na milion) na prawdopodobieństwo wielu rozpadów do stanów końcowych bez neutrin. Poszukiwano również anomalnych elektrycznych
i magnetycznych elektrosłabych dipolowych sprzężeń tau i możliwych amplitud rozpadów naruszających CP, z negatywnymi
wynikami. W obecnej dokładności eksperymentalnej taon wydaje się być leptonem standardowym.
Rozpadom taonu towarzyszą neutrina, więc
kinematyczna analiza hadronowych rozpadów taonu daje górne ograniczenie na masę neutrina taonowego: 18,2 MeV. Jednak do tej pory nikomu nie udało się wykryć
neutrina tau. Oczekuje się, że eksperyment DONUT w Fermilabie dostarczy wkrótce pierwszych eksperymentalnych dowodów na istnienie neutrina tau poprzez
wykrycie jego oddziaływania z nukleonem za pośrednictwem wyprodukowanego tau.
Jest to ważny cel w świetle ostatnich wyników badań neutrin, które
sugerują oscylacje neutrin tau i mionowych oraz różnice mas do kwadratu neutrin wynoszące około 0,003 eV2. Wyniki te mogą być sprawdzone
przez eksperymenty neutrinowe nowej generacji o długiej linii podstawowej.
W ciągu 25 lat byliśmy świadkami niezwykłego postępu w naszej wiedzy o tao i
jego neutrino. Jednak wciąż jest wiele miejsca na poprawę i bez wątpienia tau będzie nadal odgrywał ważną rolę w
kontynuacji poszukiwań nowej fizyki.