Tau (partícula)
 | |
| Composición | Partícula elemental |
|---|---|
| Estadística | Fermiónico |
| Familia | Leptón |
| Generación | Tercero |
| Interacciones | Gravedad , electromagnético , débil. |
| Símbolo | τ− |
| Antipartícula | Antitau ( τ+ ) |
| Descubierto | Martin Lewis Perl y otros (1975) [1] [2] |
| Masa | 3,167 54 (21) × 10 −27 kg [ 3] 1 776 , 86(12) MeV/ c 2 [4] [5] |
| Vida media | 2,903(5) × 10 −13 s [5] |
| Carga eléctrica | −1 y [5] |
| Carga de color | Ninguno |
| Girar | 1/2 ħ [5] |
| Isospín débil | LH : − 1/2 , DERECHA : 0 |
| Hipercarga débil | LH : −1, DE : −2 |
La tau ( τ ), también llamada leptón tau , partícula tau , tauón o electrón tau , es una partícula elemental similar al electrón, con carga eléctrica negativa y un espín de 1/2 . Al igual que el electrón , el muón y los tres neutrinos , la tau es un leptón y, como todas las partículas elementales con espín semientero, la tau tiene una antipartícula correspondiente de carga opuesta pero con la misma masa y espín. En el caso de la tau, esta es la "antitau" (también llamada tau positiva ). Las partículas tau se denotan con el símbolo
τ−
y el antitao por
τ+
.
Los leptones tau tienen una vida útil de2,9 × 10 −13 s y una masa de1 776,9 MeV / c 2 (en comparación con105,66 MeV / c 2 para muones y0,511 MeV / c2 para los electrones). Dado que sus interacciones son muy similares a las del electrón, se puede pensar que una tau es una versión mucho más pesada del electrón. Debido a su mayor masa, las partículas tau no emiten tanta radiación de frenado como los electrones; en consecuencia, son potencialmente mucho más penetrantes que los electrones.
Debido a su corta vida útil, el alcance de la radiación tau está determinado principalmente por su longitud de desintegración, que es demasiado pequeña para que la radiación de frenado sea perceptible. Su poder de penetración aparece solo a velocidades y energías ultraaltas (por encima de energías de petaelectronvoltios ), cuando la dilatación del tiempo extiende su longitud de trayectoria, que de otro modo sería muy corta. [6]
Al igual que en el caso de los otros leptones cargados, el tau tiene un neutrino tau asociado , denotado por
no
τ.
Historia
La búsqueda de la partícula tau comenzó en 1960 en el CERN por parte del grupo Bolonia-CERN-Frascati (BCF) dirigido por Antonino Zichichi . Zichichi ideó un nuevo leptón pesado secuencial, ahora llamado tau, e inventó un método de búsqueda. Realizó el experimento en las instalaciones de ADONE en 1969 una vez que su acelerador entró en funcionamiento; sin embargo, el acelerador que utilizó no tenía suficiente energía para buscar la partícula tau. [7] [8] [9]
La tau fue anticipada independientemente en un artículo de 1971 por Yung-su Tsai . [10] Proporcionando la teoría para este descubrimiento, la tau fue detectada en una serie de experimentos entre 1974 y 1977 por Martin Lewis Perl con sus colegas y los de Tsai en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) y el grupo del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBL). [1] Su equipo consistía en el entonces nuevo anillo de colisión electrón-positrón del SLAC , llamado SPEAR , y el detector magnético LBL. Podían detectar y distinguir entre leptones, hadrones y fotones . No detectaron la tau directamente, sino que descubrieron eventos anómalos:
"Hemos descubierto 64 eventos de la forma
mi+
+
mi−
→
mi±
+
micras∓
+ al menos dos partículas no detectadaspara lo cual no tenemos una explicación convencional."
La necesidad de que existieran al menos dos partículas no detectadas quedó demostrada por la incapacidad de conservar la energía y el momento con una sola. Sin embargo, no se detectaron otros muones, electrones, fotones o hadrones. Se propuso que este evento fuera la producción y posterior desintegración de un nuevo par de partículas:
-
mi+
+
mi−
→
τ+
+
τ−
→
mi±
+
micras∓
+ 4
no
Esto era difícil de verificar, porque la energía para producir el
τ+
τ−
El par es similar al umbral para la producción del mesón D. La masa y el espín de la tau se establecieron posteriormente mediante el trabajo realizado en DESY -Hamburgo con el Espectrómetro de Doble Brazo (DASP), y en SLAC-Stanford con el Contador Directo de Electrones SPEAR (DELCO),
El símbolo τ se deriva del griego τρίτον ( tritón , que significa "tercero" en español), ya que fue el tercer leptón cargado descubierto. [11]
Martin Lewis Perl compartió el Premio Nobel de Física de 1995 con Frederick Reines . Este último recibió su parte del premio por el descubrimiento experimental del neutrino .
Desintegración de Tau
El tau es el único leptón que puede desintegrarse en hadrones ; las masas de los otros leptones son demasiado pequeñas. Al igual que los modos de desintegración leptónica del tau, la desintegración hadrónica se produce a través de la interacción débil . [12] [a]
Las fracciones de ramificación de las desintegraciones hadrónicas tau dominantes son: [5]
- 25,49% para la desintegración en un pión cargado , un pión neutro y un neutrino tau;
- 10,82% para la desintegración en un pión cargado y un neutrino tau;
- 9,26% para la desintegración en un pión cargado, dos piones neutros y un neutrino tau;
- 8,99% para la desintegración en tres piones cargados (de los cuales dos tienen la misma carga eléctrica) y un neutrino tau;
- 2,74% para la desintegración en tres piones cargados (de los cuales dos tienen la misma carga eléctrica), un pión neutro y un neutrino tau;
- 1,04% para la desintegración en tres piones neutros, un pión cargado y un neutrino tau.
En total, el leptón tau se desintegrará hadrónicamente aproximadamente el 64,79% del tiempo.
Las fracciones de ramificación de las desintegraciones tau puramente leptónicas comunes son: [5]
- 17,82% para la desintegración en un neutrino tau, un electrón y un antineutrino electrónico;
- 17,39% para la desintegración en un neutrino tau, un muón y un antineutrino muón.
La similitud de valores de las dos fracciones de ramificación es una consecuencia de la universalidad del leptón .
Átomos exóticos
Se predice que el leptón tau forma átomos exóticos como otras partículas subatómicas cargadas. Uno de ellos consiste en un antitau y un electrón:
τ+
mi−
, llamado tauonio . [ cita requerida ]
Otro es un átomo de onio .
τ+
τ−
llamado ditauonio o tauonio verdadero , lo cual es un desafío para detectar debido a la dificultad de formarlo a partir de dos leptones tau de vida corta (de signo opuesto). [13]
Su detección experimental sería una prueba interesante de la electrodinámica cuántica . [14]
Véase también
Notas al pie
- ^ Dado que el número leptónico tauónico se conserva en desintegraciones débiles, siempre se crea un neutrino tau cuando un tau se desintegra. [12]
Referencias
- ^ ab Perl, ML; Abrams, G.; Boyarski, A.; Breidenbach, M .; Briggs, D.; Bulos, F.; Chinowsky, W.; Dakin, J.; Feldman, G. (1975). "Evidencia de producción anómala de leptones en
mi+
mi−
aniquilación". Physical Review Letters . 35 (22): 1489. Código Bibliográfico :1975PhRvL..35.1489P. doi :10.1103/PhysRevLett.35.1489. - ^ Okun, LB (1980). Leptones y quarks . Traducido por Kisin, VI North-Holland Publishing . pág. 103. ISBN 978-0444869241.
- ^ "Valor CODATA 2022: masa tau". Referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre . NIST . Mayo de 2024. Consultado el 18 de mayo de 2024 .
- ^ "Valor CODATA 2022: equivalente de energía tau". Referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre . NIST . Mayo de 2024. Consultado el 18 de mayo de 2024 .
- ^ abcdef Tanabashi, M.; et al. (Particle Data Group) (2018). "Revisión de física de partículas". Physical Review D . 98 (3): 030001. Bibcode :2018PhRvD..98c0001T. doi : 10.1103/PhysRevD.98.030001 . hdl : 10044/1/68623 .
- ^ Fargion, D.; de Sanctis Lucentini, PG; de Santis, M.; Grossi, M. (2004). "Duchas de aire Tau desde la Tierra". La revista astrofísica . 613 (2): 1285-1301. arXiv : hep-ph/0305128 . Código bibliográfico : 2004ApJ...613.1285F. doi :10.1086/423124. S2CID 119379401.
- ^ Zichichi, A. (1996). "Fundamentos de las búsquedas secuenciales de leptones pesados" (PDF) . En Newman, HB; Ypsilantis, T. (eds.). Historia de las ideas originales y los descubrimientos básicos en física de partículas . Serie ASI de la OTAN (Serie B: Física). Vol. 352. Boston, MA: Springer. págs. 227–275.
- ^ Hooft, G. 't (1996). En busca de los bloques de construcción definitivos . Cambridge; Nueva York, NY, EE. UU.: Cambridge University Press. pág. 111. ISBN 978-0-521-55083-3.
- ^ Wu, CS; Barnabei, O., eds. (1998). El origen de la tercera familia: en honor a A. Zichichi en el XXX aniversario de la propuesta de buscar el tercer leptón en Adone . Serie científica mundial sobre física del siglo XX. Singapur; River Edge, NJ: World Scientific. ISBN 978-981-02-3163-7.
- ^ Tsai, Yung-Su (1 de noviembre de 1971). "Correcciones de desintegración de leptones pesados en e + + e − → ℓ + + ℓ − ". Physical Review D . 4 (9): 2821. Bibcode :1971PhRvD...4.2821T. doi :10.1103/PhysRevD.4.2821.
- ^ Perl, ML (6–18 de marzo de 1977). "Evidencia y propiedades del nuevo leptón pesado cargado" (PDF) . En Van, T. Thanh; Orsay, RMIEM (eds.). Actas del XII Rencontre de Moriond . XII Rencontre de Moriond. Flaine, Francia (publicado en abril de 1977). SLAC-PUB-1923 . Consultado el 25 de marzo de 2021 .
- ^ ab Riazuddin (2009). "Interacciones no estándar" (PDF) . NCP 5th Particle Physics Sypnoisis . 1 (1): 1–25.
- ^ d'Enterria, David; Perez-Ramos, Redamy; Shao, Hua-Sheng (2022). "Espectroscopia de ditauonio". European Physical Journal C . 82 (10): 923. arXiv : 2204.07269 . Código Bibliográfico :2022EPJC...82..923D. doi :10.1140/epjc/s10052-022-10831-x. S2CID 248218441.
- ^ d'Enterria, David; Shao, Hua-Sheng (2023). "Perspectivas para el descubrimiento de ditauonio en colisionadores". Physics Letters B . 842 : 137960. arXiv : 2302.07365 . Código Bibliográfico :2023PhLB..84237960D. doi :10.1016/j.physletb.2023.137960.
Enlaces externos
- "Premio Nobel de Física 1995". nobelprize.org .
- "El libro de registro de Perl que muestra el descubrimiento de la proteína tau". symmetrymag.org . Noviembre de 2004.
- "Un cuento de tres artículos" (PDF) . slac.stanford.edu .— se muestran las portadas de los tres documentos originales que anuncian el descubrimiento.
