Тау ( τ ), также называемый тау - лептон , тау - частица , или tauon , является элементарной частицей похож на электрон с отрицательным электрическим зарядом и спином 1/2. Подобно электрону , мюону и трем нейтрино , тау - лептон , и, как все элементарные частицы с полуцелым спином, тау имеет соответствующую античастицу противоположного заряда, но равной массы и спина. В случае тау это «антитау» (также называемый положительным тау ). Частицы тау обозначаются символом
τ-
и антитау
τ+
.
Состав | Элементарная частица |
---|---|
Статистика | Фермионный |
Поколение | В третьих |
Взаимодействия | Гравитация , электромагнитная , слабая |
Символ | τ- |
Античастица | Антитау ( τ+ ) |
Обнаруженный | Мартин Льюис Перл и др. (1975) [1] [2] |
Масса | 1 776 0,86 ± 0,12 МэВ / с 2 [3] |
Средняя продолжительность жизни | (2,903 ± 0,005) × 10 −13 с [3] |
Электрический заряд | −1 e [3] |
Цвет заряда | Никто |
Вращение | 1/2[3] |
Слабый изоспин | LH : - 1/2, RH : 0 |
Слабый гиперзаряд | LH : -1, RH : -2 |
Тау лептоны имеют время жизни 2,9 × 10 -13 с и массой из1 776 0,86 МэВ / с 2 ( по сравнению с105,66 МэВ / c 2 для мюонов и0,511 МэВ / c 2 для электронов). Поскольку их взаимодействия очень похожи на взаимодействия электрона, тау можно рассматривать как гораздо более тяжелую версию электрона. Из-за своей большей массы тау-частицы не излучают столько тормозного излучения, сколько электроны; следовательно, они потенциально обладают большей проникающей способностью, чем электроны.
Из-за его короткого времени жизни диапазон тау-излучения в основном определяется его длиной затухания, которая слишком мала для того, чтобы тормозное излучение было заметным. Его проникающая способность проявляется только при сверхвысокой скорости и энергии (выше энергий в петаэлектронвольт ), когда замедление времени увеличивает его, в остальном, очень короткий путь. [4]
Как и в случае с другими заряженными лептонами, у тау-нейтрино есть ассоциированное тау-нейтрино , обозначенное как
ν
τ.
История
Поиски тау начались в 1960 году в ЦЕРНе группой Болонья-ЦЕРН-Фраскати (BCF) во главе с Антонино Зичичи . Зичичи придумал новый последовательный тяжелый лептон, который теперь называется тау, и изобрел метод поиска. Он провел эксперимент на установке ADONE в 1969 году, когда ее ускоритель заработал; однако у ускорителя, который он использовал, не хватило энергии для поиска частицы тау. [5] [6] [7]
Тау был независимо предсказан в статье Юнг-су Цая 1971 года . [8] Обеспечивая теорию этого открытия, тау-белок был обнаружен в серии экспериментов между 1974 и 1977 годами Мартином Льюисом Перлом и его коллегами и Цаем из Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC) и группой Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBL). . [1] Их оборудование состояло из нового на тот момент кольца столкновения электронов и позитронов SLAC , названного SPEAR , и магнитного детектора LBL. Они могли обнаруживать и различать лептоны, адроны и фотоны . Они не обнаружили тау напрямую, а скорее обнаружили аномальные события:
Мы обнаружили 64 события вида
е+
+
е-
→
е±
+
μ∓
+ минимум две необнаруженные частицыкоторому у нас нет общепринятого объяснения.
Необходимость по крайней мере двух необнаруженных частиц была продемонстрирована невозможностью сохранить энергию и импульс только с одной. Однако никаких других мюонов, электронов, фотонов или адронов обнаружено не было. Было высказано предположение, что это событие было рождением и последующим распадом новой пары частиц:
-
е+
+
е-
→
τ+
+
τ-
→
е±
+
μ∓
+ 4
ν
Это было трудно проверить, потому что энергия для производства
τ+
τ-
пара аналогична порогу рождения D-мезона . Масса и вращение тау были впоследствии установлены с помощью работы, проделанной в DESY- Гамбург с помощью спектрометра с двумя плечами (DASP) и в SLAC-Stanford с помощью прямого счетчика электронов SPEAR (DELCO).
Символ τ произошел от греческого τρίτον ( тритон , что в переводе с английского означает «третий»), поскольку это был третий обнаруженный заряженный лептон. [9]
Мартин Льюис Перл разделил Нобелевскую премию по физике 1995 года с Фредериком Райнесом . Последний был удостоен своей доли премии за экспериментальное открытие нейтрино .
Распад тау
Тау - единственный лептон, который может распадаться на адроны - другие лептоны не имеют необходимой массы. Как и другие моды распада тау, адронный распад происходит за счет слабого взаимодействия . [10] [а]
В разветвляющих фракциях доминирующих адронный распадов тау являются: [3]
- 25,49% для распада на заряженный пион , нейтральный пион и тау-нейтрино;
- 10,82% для распада на заряженный пион и тау-нейтрино;
- 9,26% для распада на заряженный пион, два нейтральных пиона и тау-нейтрино;
- 8,99% для распада на три заряженных пиона (два из которых имеют одинаковый электрический заряд) и тау-нейтрино;
- 2,74% для распада на три заряженных пиона (два из которых имеют одинаковый электрический заряд), нейтральный пион и тау-нейтрино;
- 1,04% для распада на три нейтральных пиона, заряженный пион и тау-нейтрино.
В целом тау-лептон будет адронно распадаться примерно в 64,79% случаев.
В разветвляющих фракциях от общих чисто лептонных распадов тау: [3]
- 17,82% для распада на тау-нейтрино, электронный и электронный антинейтрино;
- 17,39% для распада на тау-нейтрино, мюон и мюонный антинейтрино.
Сходство значений двух фракций ветвления является следствием универсальности лептона .
Экзотические атомы
Предполагается, что тау-лептон образует экзотические атомы, как и другие заряженные субатомные частицы. Один из таких, называемый тауонием по аналогии с мюонием , состоит из антитауона и электрона:
τ+
е-
. [11]
Другой - атом ония
τ+
τ-
называется истинным тауонием и его трудно обнаружить из-за чрезвычайно короткого времени жизни тау при низких (нерелятивистских) энергиях, необходимых для образования этого атома. Если возможно, его обнаружение станет важным испытанием квантовой электродинамики . [11]
Смотрите также
- аромат (физика элементарных частиц)
- генерация (физика элементарных частиц)
- Формула Коиде
- лептон
Сноски
- ^ Поскольку тауонное лептонное число сохраняется в слабых распадах, тау-нейтрино всегда создается при распаде тау. [10]
Рекомендации
- ^ a b Perl, ML; Abrams, G .; Боярский, А .; Breidenbach, M .; Briggs, D .; Bulos, F .; Чиновски, В .; Дакин, Дж .; Фельдман, Г. (1975). "Свидетельства аномального образования лептона в
е+
е-
уничтожение ". Physical Review Letters . 35 (22): 1489. Bibcode : 1975PhRvL..35.1489P . doi : 10.1103 / PhysRevLett.35.1489 . - ^ Окунь, LB (1980). Лептоны и кварки . Перевод Кисина, Издательство В.И. Северной Голландии . п. 103. ISBN 978-0444869241.
- ^ а б в г д е Танабаши, М .; и другие. (Группа данных по частицам) (2018). «Обзор физики элементарных частиц» . Physical Review D . 98 (3): 030001. Bibcode : 2018PhRvD..98c0001T . DOI : 10.1103 / PhysRevD.98.030001 .
- ^ Fargion, D .; де Санктис Лючентини, PG; de Santis, M .; Гросси, М. (2004). "Дожди тау с Земли". Астрофизический журнал . 613 (2): 1285–1301. arXiv : hep-ph / 0305128 . Bibcode : 2004ApJ ... 613.1285F . DOI : 10.1086 / 423124 .
- ^ Зичичи, А. (1996). «Основы последовательных поисков тяжелых лептонов». В Ньюмане, HB; Ипсилантис, Т. (ред.). История оригинальных идей и основных открытий в физике элементарных частиц . Серия НАТО ASI (Серия B: Физика). 352 . Бостон, Массачусетс: Спрингер. С. 227–275.
- ^ 'т Хоофт, Джерард (1996). В поисках лучших строительных блоков . Издательство Кембриджского университета. п. 111.
- ^ Риччи, РА; Barnabei, O .; Монако, Ф. Роверси; Майани, Л. (5 июня 1998 г.). Происхождение третьего семейства: В честь А. Зичичи в XXX годовщину предложения о поисках третьего лептона в Адоне . Мировая научная серия по физике ХХ века. 20 . Сингапур: World Scientific Publishing. ISBN 9810231636.ISBN 978-9810231637
- ^ Цай, Юнг-Су (1 ноября 1971 г.). «Распадные корреляции тяжелых лептонов в e + + e - → ℓ + + ℓ - ». Physical Review D . 4 (9): 2821. Полномочный код : 1971PhRvD ... 4.2821T . DOI : 10.1103 / PhysRevD.4.2821 .
- ^ Perl, ML (6–18 марта 1977 г.). «Доказательства и свойства нового заряженного тяжелого лептона» (PDF) . В Ван, Т. Тхань; Орсе, RMIEM (ред.). Труды XII Rencontre de Moriond . XII Rencontre de Moriond. Флен, Франция (опубликовано в апреле 1977 г.). SLAC-PUB-1923 . Проверено 25 марта 2021 года .
- ^ а б Рязуддин (2009). «Нестандартные взаимодействия» (PDF) . NCP 5-й Sypnoisis по физике элементарных частиц . 1 (1): 1-25.
- ^ а б Бродский, Стэнли Дж .; Лебедь, Ричард Ф. (2009). «Производство мельчайшего атома КЭД: Истинный мюоний ( μ + μ - )». Письма с физическим обзором . 102 (21): 213401. arXiv : 0904.2225 . Bibcode : 2009PhRvL.102u3401B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.102.213401 . PMID 19519103 .
Внешние ссылки
- «Нобелевская премия по физике 1995 г.» . nobelprize.org .
- "Журнал Perl, показывающий открытие тау" . symrymag.org .
- «Повесть о трех статьях» (PDF) . slac.stanford.edu . - дает обложки трех оригинальных статей, объявляющих об открытии.