Lessons learnt from the heavy tau lepton

Em 1975 Martin Perl encontrou um novo leptão exótico em colisões elétron-positron no anel SPEAR em SLAC, Stanford. O tau com carga elétrica
acabou sendo um irmão pesado do múon e do elétron. O tau é 170 vezes mais pesado que o múon e 3500 vezes mais pesado que o
electron, e tem aproximadamente as propriedades esperadas para tal partícula. Devido à sua vida muito curta (2,9 x 10-12 s) e à
presença de partículas invisíveis (neutrinos) em suas decadências, a investigação detalhada do tau tem sido um desafio experimental desde sua
descoberta.

Nos últimos anos, as quatro experiências no colisor LEP de elétron-positrons do CERN produziram uma amostra muito limpa
de pares de tau (cerca de 0,2 milhões) com fundos baixos. A muito boa identificação de partículas dos detectores LEP e o uso de tecnologias modernas de silício
microvertex criaram um ambiente maravilhoso para investigar o tau.

Ao mesmo tempo, o detector CLEO II
no anel de elétron-positrons CESR de Cornell coletou mais de 10 milhões de pares de tau, tornando possível o estudo das raras decadências de tau. Como resultado
resultado, a tau física atingiu um nível onde podem ser realizados testes precisos.

Universalidade de leptões

A existência de diferentes
famílias é uma das mais importantes questões em aberto na física das partículas. A estrutura básica da Teoria Electroweak Padrão com os quarks superior e inferior (o electrão e o neutrino do electrão) parece ter duas réplicas mais pesadas com interacções idênticas: o charme e os quarks inferior e superior com o múon e o neutrino do múon; e os quarks superior e inferior com o tau lepton e o seu neutrino.

Não compreendemos o que causa esta triplicidade, nem sabemos o que gera as diferentes massas. Entretanto, esperamos que a família mais pesada seja mais
sensível a qualquer dinâmica que esteja relacionada com a geração de massa. Isto torna o tau uma partícula ideal para usar para investigar estas lacunas no nosso entendimento de 2225>. O tau é realmente idêntico ao elétron e ao múon?

No Modelo Standard, o tau decai da mesma forma que o
muon: através da emissão de um bóson W (mostrado nas figuras 1 e 2). No entanto, o peso do tau torna vários modos de decaimento extra cinemáticos
aplicável. O tau pode ou decair leptonicamente para os seus irmãos mais leves electrões e múons, acompanhado por neutrinos apropriados, ou pode
decair para os quarks. Como os quarks podem aparecer em três “cores” diferentes, a probabilidade de um decaimento hadrónico é três vezes superior a
decaimento leptónico. A análise detalhada dos decaimentos tau mostra uma excelente concordância entre as frações de ramificação medidas e as previsões
Modelo padrão.

Comparando os diferentes decaimentos tau com os decaimentos fracos do muon e do pioneiro carregado, podemos testar
se os diferentes leptões se unem ao W com a mesma força. Dentro da presente (e impressionante) precisão experimental de 0,2%, o
electron, o muon e o tau parecem ter exatamente as mesmas interações W. A mesma observação pode ser feita diretamente a partir da análise de
decadências de W no LEP II e dos colididores de protonantiprotões, embora, a sensibilidade experimental atual não seja tão boa neste caso.

Os acoplamentos
leptônicos à partícula Z neutra foram medidos com precisão no LEP e SLC (SLAC, Stanford), através do estudo de
produção de leptônio-antileptônio em colisões elétron-positrons. Novamente, os dados experimentais mostram que os três leptões conhecidos têm idênticas
interações com o bóson Z, no nível atual de sensibilidade experimental.

Porque o tau decai dentro do detector – um tau produzido
no LEP viaja 2,2 mm antes do decaimento (um tau produzido no CLEO viaja 0,24 mm) – pode-se medir sua orientação de spin (polarização) a partir do
distribuição dos produtos de decaimento final. Os dados atuais mostram que somente os taus esquerdinos decaem. Isto está em boa concordância com o Standard
Model. Um limite superior de 3% foi estabelecido sobre a probabilidade de um decaimento (não permitido) de um tau.

Um lepton com fortes interações

Os leptons não se acoplam aos portadores gluônicos da interação forte. Entretanto, um bóson eletroweak emitido por um leptônio
pode produzir quarks, que são partículas fortes que interagem. Elétrons e múons só sentem esse efeito indiretamente, através de pequenos quantum
correções. O tau mais pesado pode decair hadronicamente, o que faz do tau uma ferramenta única para o estudo da forte dinâmica de interação em um caminho limpo

>

Entre 1988 e 1992, uma série de trabalhos de Eric Braaten, Stephan Narison e o autor mostraram que a decadência hadrónica da
tau pode ser teoricamente prevista a partir dos primeiros princípios, em função do acoplamento da cromodinâmica quântica (QCD)
como a soma de todos os hadrões possíveis produzidos na decadência, evita os problemas relacionados com a confusão
reordenação dos quarks em hadrões. A probabilidade de decaimento pode então ser calculada a um nível mais fundamental em termos de quarks e gluões.
O resultado é conhecido até à terceira ordem numa expansão perturbativa em poderes de como. A comparação de
as previsões teóricas com as medidas experimentais dá uma determinação precisa de como em
a região da massa tau.

Um extenso esforço experimental foi iniciado em 1992 por um grupo ALEPH no LEP, que foi liderado por Michel Davier
em Orsay. Isto foi logo seguido por um trabalho similar de outras experiências. As quatro colaborações do LEP e do CLEO realizaram todas as suas próprias medições de como. Além disso, ALEPH e OPAL, através de uma análise cuidadosa da distribuição de
os hadrões de decaimento final, foram capazes de medir, separadamente, as pequenas correções não-perturbativas e obter valores em boa concordância com
as expectativas teóricas.

A determinação resultante, como
(mt) = 0,345 ± 0,020, mostra que o acoplamento, medido na escala de massa tau, é muito diferente dos
valores obtidos em energias mais elevadas. O valor extraído das decadências hadrónicas do bóson Z, 0,119 ± 0,003, difere da decadência tau
medida por onze desvios padrão.

A comparação destas duas medidas é de fundamental importância dentro da nossa presente
compreensão da teoria do campo quântico. Correções quânticas, geradas principalmente através da produção virtual de pares partícula-antipartícula,
modificar os valores dos acoplamentos nus de uma forma que depende da escala energética. Este é um efeito muito importante, que, no contexto de
teorias de campo não-electrométricas (como a teoria electroweak ou QCD), está profundamente relacionado com o trabalho premiado com o Nobel de 1999 por ‘t Hooft e
Veltman.

Gross, Politzer e Wilczek mostraram que nas teorias não-electrométricas os efeitos quânticos dão origem a “liberdade assimptótica”, em que
o acoplamento diminui à medida que a energia aumenta. A liberdade assimptótica explica porque os experimentos de alta energia sentem os quarks como partículas quase livres,
enquanto que em baixas energias eles estão fortemente confinados dentro dos hadrons. O tau fornece a escala de energia mais baixa onde uma medição muito limpa do acoplamento
forte pode ser realizada, o que dá uma oportunidade de testar a liberdade assimptótica de uma forma quantitativa. Usando o teoricamente
dependência prevista de como em energia, a medida de como
na massa tau pode ser traduzida em uma previsão de como na escala de massa Z: 0.1208 ± 0.0025. Este
valor está de acordo com a medida direta de decaimentos hadrónicos do Z, e tem uma precisão semelhante.

decaimentos tau, que resultam em
um número par de piões, também têm sido usados para medir os efeitos de polarização hadrónicos do vácuo que estão associados ao fóton. É
possível, portanto, estimar como a constante eletromagnética da estrutura fina é modificada nas energias LEP. A incerteza deste parâmetro é
uma das principais limitações na extração da massa de Higgs a partir de dados LEP/SLD. A partir dos dados ALEPH, o grupo Orsay é capaz de reduzir
o erro do valor do log ajustado (MH) em 30%.

Os mesmos dados tau podem fixar a contribuição hadrónica para o momento anómalo
magnético do muon. As recentes análises ALEPH e CLEO melhoraram a previsão teórica estabelecendo um valor de referência a ser
comparado com a próxima medição do experimento E821, que está sendo executado em Brookhaven.

Pesar o strangequark

Sobre 3% dos decaimentos de tau produzem um estranho quark. As quatro experiências de LEP investigaram estas decadências. Em particular, a ALEPH tem
analisado a produção de kaon em tau decaimento e a distribuição associada dos hadrons finais. A diferença entre o decaimento dominante
produzindo um quark down, e que produzindo um quark estranho é sensível à diferença de massa entre os quarks down e strange quark. Porque
a primeira é muito mais leve, a medida da ALEPH pode ser traduzida em uma boa determinação da massa da estranha quark na tau mass
scale: 119 ± 24 MeV.

As massas dos quarks também dependem da energia; os quarks pesam menos com energias mais altas (e pesam mais com energias mais baixas).
A 1 GeV, por exemplo, a massa dos strange quark torna-se 164 ± 33 MeV. Estas medidas têm implicações importantes para a teoria
previsão da violação do PC na física kaon. Futuras análises tau nos detectores BaBar e BELLE devem fornecer uma maior precisão
determinação da estranha massa quark.

Dados de decaimento tau têm sido sondados extensivamente para assinaturas de nova física além do padrão
Estrutura do modelo. Usando sua enorme amostra de dados, o CLEO procurou por 40 modos de decaimento de tau proibidos. Não foi encontrado nenhum sinal positivo, o qual
coloca limites superiores rigorosos (de algumas partes por milhão) sobre a probabilidade de muitos decaimentos em estados finais sem neutrinos. Acoplamentos eléctricos anómalos
e electroweak dipolo magnético do tau e possíveis amplitudes de decaimento do CP-violação também foram pesquisados, com resultados negativos
. Dentro da precisão experimental atual, o tau parece ser um leptônio padrão.

Dias de tau são acompanhadas por neutrinos, então
análise cinemática de decaimentos hadrónicos do tau dá um limite superior na massa de tau neutrino: 18,2 MeV. No entanto, até agora ninguém foi capaz de detectar um neutrino
tau. A experiência DONUT no Fermilab deverá em breve fornecer a primeira evidência experimental do tau neutrino através da detecção da sua interacção com um núcleo através do tau produzido.

Este é um objectivo importante tendo em conta os resultados recentes do neutrino, que
suggest oscilações do tau neutrino, e diferenças quadráticas da massa de neutrino de cerca de 0,003 eV2. Estes resultados poderiam ser verificados
pelas experiências de neutrino de nova geração de linha de base longa.

Em 25 anos vimos um progresso notável no nosso conhecimento do tau e
do seu neutrino. Contudo, ainda há muito espaço para melhorias e, sem dúvida, o tau continuará a desempenhar um papel importante no
continuando a procura de nova física.