För ett kvarts sekel sedan upptäckte Martin Perl en ny partikel: tau-leptonen. Denna svagt växelverkande partikel är så tung att den kan sönderfalla
till starkt växelverkande partiklar och ge mycket speciella fysikaliska förutsättningar. Den beskrivs här av Antonio Pich, mångårig tau-specialist.
Under 1975 upptäckte Martin Perl en ny exotisk lepton i elektron-positronkollisioner i SPEAR-ringen vid SLAC, Stanford. Den elektriskt laddade tau
visade sig vara en tung bror till muon och elektron. Tau är 170 gånger så tung som myon och 3500 gånger så tung som elektron
och har ungefär de egenskaper man kan förvänta sig för en sådan partikel. På grund av dess mycket korta livslängd (2,9 x 10-12 s) och
närvaron av osynliga partiklar (neutriner) i dess sönderfall har den detaljerade undersökningen av tau varit en experimentell utmaning ända sedan dess
upptäckt.
Under de senaste åren har de fyra experimenten vid Cerns LEP-elektron-positronkolliderare var och en av dem producerat ett mycket rent urval
av tau-par (cirka 0,2 miljoner) med låg bakgrund. LEP-detektorernas mycket goda partikelidentifiering och användningen av modern kisel
mikrovertex-teknik har skapat en fantastisk miljö för att undersöka tau.
Tidigare har CLEO II-detektorn
vid Cornells CESR-elektron-positronring samlat in mer än 10 miljoner tau-par, vilket har gjort det möjligt att studera de sällsynta tau-fallet. Som ett
resultat har taufysiken nått en nivå där exakta tester kan utföras.
Leptonuniversalitet
Existensen av olika
familjer är en av de viktigaste öppna frågorna inom partikelfysiken. Den grundläggande materiestrukturen i den elektrosvaga standardteorin med
upp- och ner-kvarkarna (elektronen och elektronneutrino) tycks ha två tyngre kopior med identiska växelverkningar: charm- och
strange-kvarkarna med muon och muonneutrino, och topp- och bottenkvarkarna med tau-lepton och dess neutrino.
Vi förstår inte
vad som orsakar denna trefaldighet, och vi vet inte heller vad som genererar de olika massorna. Vi förväntar oss dock att den tyngre familjen är mer
känslig för vilken dynamik som helst som är relaterad till generering av massa. Detta gör tau till en idealisk partikel att använda för att undersöka dessa luckor i vår
förståelse. Är tau verkligen identisk med elektron och muon?
I standardmodellen sönderfaller tau på samma sätt som muon: genom emission av en W-boson (se figurerna 1 och 2). Taus tyngd gör dock flera extra sönderfallssätt kinematiskt
tillgängliga. Tau kan antingen sönderfalla leptoniskt till sina lättare elektron- och myonbröder, tillsammans med lämpliga neutriner, eller så kan den sönderfalla till kvarkar. Eftersom kvarkar kan uppträda i tre olika ”färger” är sannolikheten för ett hadroniskt sönderfall tre gånger större än
leptoniskt sönderfall. Den detaljerade analysen av tau-fallet visar en utmärkt överensstämmelse mellan de uppmätta förgreningsfraktionerna och
standardmodellens förutsägelser.
Vid jämförelse av de olika tau-fallen med det svaga sönderfallet av muon och den laddade pionen kan vi testa
om de olika leptonerna kopplar till W med samma styrka. Inom den nuvarande (och imponerande) experimentella noggrannheten på 0,2 % verkar
elektronen, myonen och tau ha exakt samma W-växelverkan. Samma observation kan göras direkt från analysen av
W-fall vid LEP II och protonantiprotonkolliderna, även om den nuvarande experimentella känsligheten inte är lika god i detta fall.
De
leptoniska kopplingarna till den neutrala Z-partikeln har mätts med noggrannhet vid LEP och SLC (SLAC, Stanford), genom studiet av
lepton-antilepton-produktion i elektron-positronkollisioner. Återigen visar de experimentella uppgifterna att de tre kända leptonerna har identiska
interaktioner med Z-bosonen, på den nuvarande nivån av experimentell känslighet.
Eftersom tau sönderfaller inom detektorn – en tau som produceras
vid LEP färdas 2,2 mm innan den sönderfaller (en tau som produceras vid CLEO färdas 0,24 mm) – kan man mäta dess spinnorientering (polarisation) från
fördelningen av de slutliga sönderfallsprodukterna. De aktuella uppgifterna visar att endast vänsterhänta taus sönderfaller. Detta stämmer väl överens med standard
modellen. En övre gräns på 3 % har satts för sannolikheten för ett (otillåtet) sönderfall från en högerhänt tau.
En lepton medstark växelverkan
Leptoner kopplar inte till den starka växelverkanens gluoniska bärare. En elektrosvag boson som avges av en lepton
kan dock producera kvarkar, som är partiklar med stark växelverkan. Elektroner och myoner känner denna effekt endast indirekt, genom små kvant
korrigeringar. Den tyngre tau kan sönderfalla hadroniskt, vilket gör tau till ett unikt verktyg för att studera den starka växelverkanens dynamik på ett rent
sätt.
Mellan 1988 och 1992 visade en serie artiklar av Eric Braaten, Stephan Narison och författaren att det hadroniska sönderfallet av
tau teoretiskt kan förutsägas från första principer, som en funktion av kvantkromodynamikens (QCD) koppling
as Genom att summera alla möjliga hadroner som produceras i sönderfallet undviker man de problem som har att göra med den röriga
omfördelningen av kvarkar till hadroner. Sannolikheten för sönderfallet kan då beräknas på en mer grundläggande nivå i termer av kvarkar och gluoner.
Resultatet är känt upp till tredje ordningen i en perturbativ expansion i potenser av as. En jämförelse av
de teoretiska förutsägelserna med de experimentella mätningarna ger en exakt bestämning av as vid
tau-masseområdet.
En omfattande experimentell insats inleddes 1992 av en ALEPH-grupp vid LEP, som leddes av Michel Davier
på Orsay. Detta följdes snart av liknande arbete från andra experiment. De fyra LEP-samarbetena och CLEO har alla utfört egna
mätningar av as. Dessutom har ALEPH och OPAL, genom en noggrann analys av fördelningen av
det slutliga sönderfallets hadroner, kunnat mäta, separat, de små icke-perturbativa korrigeringarna och få värden som stämmer väl överens med
de teoretiska förväntningarna.
Den resulterande bestämningen, as
(mt) = 0,345 ± 0,020, visar att kopplingen, som uppmätts på tau-masseskala, skiljer sig mycket från de
värden som erhållits vid högre energier. Det värde som utvinns från Z-bosonens hadroniska sönderfall, 0,119 ± 0,003, skiljer sig från tau-sönderfallets
mätning med elva standardavvikelser.
Förhållandet mellan dessa två mätningar är av grundläggande betydelse inom vår nuvarande
förståelse av kvantfältsteori. Kvantkorrigeringar, som huvudsakligen genereras genom den virtuella produktionen av partikel-antipartikelpar,
modifierar värdena för de nakna kopplingarna på ett sätt som beror på energiskalan. Detta är en mycket viktig effekt, som i samband med
icke-abeliska mätfältsteorier (som den elektrosvaga teorin eller QCD) är djupt relaterad till det Nobelprisbelönade arbetet 1999 av ’t Hooft och
Veltman.
Gross, Politzer och Wilczek visade att i icke-abeliska teorier ger kvanteffekter upphov till ”asymptotisk frihet”, där
kopplingen minskar när energin ökar. Asymptotisk frihet förklarar varför experimenten vid hög energi upplever kvarkar som nästan fria partiklar,
medan de vid låga energier är starkt instängda inom hadroner. Tau utgör den lägsta energiskala där en mycket ren mätning av den
starka kopplingen kan utföras, vilket ger en möjlighet att testa asymptotisk frihet på ett kvantitativt sätt. Med hjälp av det teoretiskt
förutsedda beroendet av as på energi kan mätningen av as
vid tau-massan översättas till en förutsägelse av as vid Z-massaskalen: 0.1208 ± 0.0025. Detta
värde stämmer väl överens med den direkta mätningen från hadroniska Z-fall och har en liknande noggrannhet.
Tau-fall, som resulterar i
ett jämnt antal pioner, har också använts för att mäta de hadroniska vakuumpolariseringseffekter som är associerade med fotonen. Det är
möjligt att därför uppskatta hur den elektromagnetiska finstrukturkonstanten modifieras vid LEP-energier. Osäkerheten i denna parameter är
en av de största begränsningarna för utvinning av Higgs-massan från LEP/SLD-data. Från ALEPH-data kan Orsay-gruppen minska
felet i det anpassade log(MH)-värdet med 30 %.
Med samma tau-data kan man fastställa det hadroniska bidraget till muonens anomala
magnetiska moment. Nya ALEPH- och CLEO-analyser har förbättrat den teoretiska förutsägelsen genom att fastställa ett referensvärde som ska
jämföras med den kommande mätningen från E821-experimentet, som pågår vid Brookhaven.
Vägning av strangequark
Omkring 3 % av tau-sönderfallet ger upphov till en strange quark. De fyra LEP-experimenten har undersökt dessa sönderfall. Särskilt ALEPH har
analyserat kaonproduktionen vid tau-sönderfall och den tillhörande fördelningen av de slutliga hadronerna. Skillnaden mellan det dominerande sönderfallet
som producerar en down quark och det som producerar en strange quark är känslig för massaskillnaden mellan down och strange quarks. Eftersom
den förstnämnda är mycket lättare kan ALEPH-mätningen översättas till en god bestämning av massan av den främmande kvarken på tau-masseskala
: 119 ± 24 MeV.
Kvarkmassan är också beroende av energin; kvarkar väger mindre vid högre energier (och väger mer vid lägre energier).
Vid 1 GeV blir t.ex. den främmande kvarkmassan 164 ± 33 MeV. Dessa mätningar har viktiga implikationer för den teoretiska
förutsägelsen av CP-överträdelse i kaonfysiken. Framtida tau-analyser vid BaBar- och BELLE-detektorerna bör ge en mer exakt
bestämning av den främmande kvarkmassan.
Data från tau-sönderfall har undersökts i stor utsträckning för att hitta signaturer av ny fysik utanför ramen för standard
modellen. Med hjälp av sitt enorma dataurval har CLEO letat efter 40 förbjudna tau-sönderfallssätt. Ingen positiv signal har hittats, vilket
lägger strikta övre gränser (på några delar per miljon) för sannolikheten för många sönderfall till sluttillstånd utan neutriner. Anomala elektriska
och magnetiska elektrosvaga dipolkopplingar av tau och möjliga CP-överskridande sönderfallsamplituder har också sökts, med negativa
resultat. Inom den nuvarande experimentella noggrannheten verkar tau vara en standardlepton.
Tau-sönderfall åtföljs av neutriner, så
kinematisk analys av hadroniska tau-sönderfall ger en övre gräns för tau-neutrinomassan: 18,2 MeV. Ingen har dock hittills kunnat upptäcka en
tau-neutrino. DONUT-experimentet vid Fermilab förväntas snart ge det första experimentella beviset för tau-neutrino genom
detektering av dess växelverkan med en nukleon via den producerade tau.
Detta är ett viktigt mål med tanke på de senaste neutrinoresultaten, som
sugger tau-muon-neutrino-svängningar och skillnader i neutrinomassakvadrat på cirka 0,003 eV2. Dessa resultat skulle kunna kontrolleras
med den nya generationens neutrinoexperiment med lång baslinje.
Under 25 år har vi sett anmärkningsvärda framsteg i vår kunskap om tau och
dess neutrino. Det finns dock fortfarande mycket utrymme för förbättringar, och utan tvekan kommer tau att fortsätta att spela en viktig roll i
det fortsatta sökandet efter ny fysik.