Tau (partícula)

La tau (τ), también llamada leptón tau, partícula tau o tauon, 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 igual masa y espín. En el caso de tau, este es el "antitau" (también llamado tau positivo). Las partículas tau se denotan con el símbolo τ y los antitaus por τ.

Los leptones tau tienen una vida de2,9 × 10 s y una masa de1 776,86 MeV/ c (en comparación con105,66 MeV/ c para muones y0,511 MeV/ c para electrones). Dado que sus interacciones son muy similares a las del electrón, se puede pensar en un tau como una versión mucho más pesada del electrón. Debido a su mayor masa, las partículas tau no emiten tanta radiación bremsstrahlung como los electrones; en consecuencia, son potencialmente mucho más altamente penetrantes que los electrones.

Debido a su corta vida útil, el rango de tau se establece principalmente por su duración de decaimiento, que es demasiado pequeña para que se note la bremsstrahlung. Su poder de penetración aparece solo a una velocidad y energía ultra altas (por encima de las energías de los petaelectronvoltios), cuando la dilatación del tiempo extiende su recorrido, que de otro modo sería muy corto.

Como en el caso de los otros leptones cargados, el tau tiene un neutrino tau asociado, denotado porv_τ.

Historia

La búsqueda de tau comenzó en 1960 en el CERN por el grupo Bologna-CERN-Frascati (BCF) dirigido por Antonino Zichichi. A Zichichi se le ocurrió la idea de 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 usó no tenía suficiente energía para buscar la partícula tau.

El tau fue anticipado de forma independiente en un artículo de 1971 de Yung-su Tsai. Proporcionando la teoría para este descubrimiento, el tau fue detectado en una serie de experimentos entre 1974 y 1977 por Martin Lewis Perl con sus colegas y los de Tsai en el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) y el grupo Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL). Su equipo consistía en el entonces nuevo anillo de colisión de electrones y positrones de SLAC, llamado SPEAR, y el detector magnético LBL. Podían detectar y distinguir entre leptones, hadrones y fotones. No detectaron a los tau directamente, sino que descubrieron eventos anómalos:

"Hemos descubierto 64 eventos de la formami+mi→mi+m + al menos dos partículas no detectadas

para lo cual no tenemos una explicación convencional".

La necesidad de 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 fue la producción y posterior decaimiento de un nuevo par de partículas:mi+mi→τ+τ →mi+m+ 4v

Esto fue difícil de verificar, porque la energía para producir elττpar es similar al umbral para la producción de mesones D. La masa y el espín de tau se establecieron posteriormente mediante el trabajo realizado en DESY-Hamburg con el espectrómetro de doble brazo (DASP), y en SLAC-Stanford con el contador de electrones directos SPEAR (DELCO),

El símbolo τ se derivó del griego τρίτον (tritón, que significa "tercero" en inglés), ya que fue el tercer leptón cargado descubierto.

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.

Decaimiento tau

El tau es el único leptón que puede descomponerse en hadrones; los otros leptones no tienen la masa necesaria. Al igual que los otros modos de decaimiento de tau, el decaimiento hadrónico se produce a través de la interacción débil.

Las fracciones de ramificación de las desintegraciones tau hadrónicas dominantes son:

• 25,49% para la descomposición en un pión cargado, un pión neutro y un neutrino tau;
• 10,82% para la descomposición en un pión cargado y un neutrino tau;
• 9,26% para la descomposición en un pión cargado, dos piones neutros y un neutrino tau;
• 8,99% para la descomposición en tres piones cargados (de los cuales dos tienen la misma carga eléctrica) y un neutrino tau;
• 2,74% para la descomposición en tres piones cargados (de los cuales dos tienen la misma carga eléctrica), un pión neutro y un neutrino tau;
• 1,04% para la descomposición en tres piones neutros, un pión cargado y un neutrino tau.

En total, el leptón tau decaerá hadrónicamente aproximadamente el 64,79% de las veces.

Las fracciones de ramificación de las desintegraciones tau puramente leptónicas comunes son:

• 17,82% para la descomposición en un neutrino tau, un electrón y un antineutrino electrónico;
• 17,39% para la descomposición en un neutrino tau, muón y antineutrino muón.

La similitud de los valores de las dos fracciones de ramificación es una consecuencia de la universalidad de los leptones.

Átomos exóticos

Se predice que el leptón tau formará átomos exóticos como otras partículas subatómicas cargadas. Uno de ellos, consiste en un antitauón y un electrón:τmi.

Otro es un átomo de onio.ττllamado tauonio verdadero y es difícil de detectar debido a la vida útil extremadamente corta de tau a las energías bajas (no relativistas) necesarias para formar este átomo. Su detección sería una importante prueba de electrodinámica cuántica, si es posible.