Тау-лептон

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
тау-лептон
Склад: фундаментальна частинка
Родина: ферміон
Група: лептон
Покоління: третє
взаємодії: електромагнітна, гравітаційна, слабка
Частинка: тау-лептон
Античастинка: антитау-лептон
Відкрита: 1975
Символ: τ-
Маса: 1777 МеВ [1]
Час життя: 2.9 ·10-13 с
Електричний заряд: -1
Спін: 1/2

Тау-лепто́н - (від грецької букви τ, що використовується для позначення) — в стандартній моделі фізики елементарних частинок — нестійка елементарна частинка з негативним електричним зарядом і спіном 1/2. Разом з електроном, мюоном і нейтрино класифікується як частина лептонного сімейства ферміонів. Як і всі фундаментальні частинки, тау-лептон має античастинку із зарядом протилежного знаку, але з рівною масою і спіном: антитау-лептон.

τ-лептон був відкритий в 1975 р. на електрон-позитронному колайдері у лабораторії SLAC (Стенфорд, США). τ-лептони утворювалися в результаті реакції:

.

Маса τ-лептона 1777 МеВ. Час життя 2.9 ·10-13 с.

Розпади[ред. | ред. код]

Діаграма Фейнмана — спільна для розпаду тау-лептона на інші лептони та на кварки першого покоління, що проходить через емісію W-бозона.

τ-лептон є єдиним лептоном, який може розпадатися на адрони, в той час як інші занадто легкі для цього. Як і інші канали розпаду, адронний розпад проходить завдяки слабкій взаємодії.[2]

Тау-лептон, завдяки своїй великій масі може розпадатися дуже різноманітно[3]:

Тип Канал розпаду Ймовірність
Лептонний 17,85%
Лептонний 17,36%
Адронний 10,91%
Адронний 25,51%
Адронний 9,29%
Адронний 1,04%
Адронний [4] 0,11%
Адронний 0,696%
Адронний 0,429%
Адронний 0,065%
Адронний 0,049%
Адронний 0,84%
Адронний 0,4%
Адронний 0,024%
Адронний 0,12%
Адронний 0,159%
Адронний 0,159%
Адронний 9%
Адронний 2,7%
Адронний 0,287%
Адронний 0,077%
Адронний 0,14%
Адронний 0,0061%
Адронний 0,1%
Адронний 0,023%
Адронний 0,0839%
Адронний 0,0178%
Адронний 1,99%
Адронний 0,41%
Адронний 0,139%
Адронний 0,0161%

Існують і інші канали розпаду, сумарна доля яких складає менше 0,1 відсотка. У них можуть породжуватись більш важкі частинки, такі як f1(1285) і фі-мезон.

В підсумку, тау-лептон розпадається на адрони приблизно в 64.79 % випадків. Оскільки при реакції слабкої взаємодії повинно зберігатися тау-лептонне число, серед продуктів адронного розпаду завжди присутнє тау-нейтрино.[2]

Мюонний канал розпаду має трішки меншу ймовірність через те, що маса мюона приблизно в 200 раз більша ніж електрона. Якщо б цієї в різниці в масах не було, ймовірності були б рівними, адже лептони цілком рівнозначні у взаємодії з калібровочними бозонами, через які йде розпад.

Історія відкриття[ред. | ред. код]

Після відкриття мюону в 1936 році, фізики багато досліджували його природу. Існували припущення, що мюон є, в деякому сенсі, проміжною частинкою між електроном і протоном, а тому взаємодія його з нуклонами має відбуватись інакше. Проте до кінця 60-х стало зрозуміло, що окрім маси електрон і мюон практично однакові, тому почала набувати популярності інша гіпотеза, згідно якої мюон і електрон належать до одної сім'ї частинок, і можуть існувати і інші, ще більш важкі заряджені лептони, кожному з яких відповідає власний тип нейтрино. Ці лептони отримали робочі назви μ', μ" і т.п. [5]

З 1973, коли у Стенфорді був побудований електронно-позитронний колайдер SPEAR, Мартін Перл намагався знайти на ньому важкі лептони, і у 1975 році це йому вдалося. Частинка отримала назву τ від грецького τριτον — третій.[5] Також, у деяких роботах її називали U, від unknown.

Маса тау була більш точно виміряна Бранделіком у 1978 році в експериментах на німецькому прискорювачі DORIS.[5]

Час життя лептона був вимірянний у 1982 році кількома незалежними групами.[5]

За відкриття тау-лептона Мартін Перл отримав Нобелівську премію за 1995 рік.

Припущення про існування ще більш важких лептонів (четвертого покоління) наразі лишається відкритим.[6]

Екзотичні атоми[ред. | ред. код]

Подібно до мюона, що може утворювати мюоній (атом в якому мюон замінює електрон) та димюоній(мюон та антимюон, що обертаються один навколо одного), тау міг би формувати зв'язаний стан з протоном, анти-тау, анти-мюоном або позитроном. Завдяки великій масі, орбіта тау-частинки у такій системі пролягала б надзвичайно близько до другого компонента (і навіть всередині нього для важких ядер), що дозволило б дослідити надзвичайно тонкі ефекти квантової теорії.[7][8], проте наразі такі системи не було зафіксовано, як через важкість отримання тау-частинок, так і через дуже малий час їх життя.

Цікаві факти[ред. | ред. код]

  • Завдяки існуванню аномалії в квантовій теорії поля відкриття третього покоління лептонів — тау-лептонів означало що обов’язково існує і третє покоління кварків (хоча їхнє передбачення було зроблено ще до відкриття тау і незалежно від нього, в 1973 році). І справді, приблизно через 20 років, в 1995, існування третього покоління кварків було експериментально підтверджене.

Примітки[ред. | ред. код]

  1. J. Beringer et al. (Particle Data Group) (2012). Leptons. Review of Particle Physics. Physical Review D 86 (1): 581–651. Bibcode:2012PhRvD..86a0001B. doi:10.1103/PhysRevD.86.010001. 
  2. а б Riazuddin (2009). Non-standard interactions. NCP 5th Particle Physics Sypnoisis (Islamabad,: Riazuddin, Head of High-Energy Theory Group at National Center for Physics) 1 (1): 1–25. 
  3. τ BRANCHING FRACTIONS(англ.)
  4. під h мається на увазі піон або каон
  5. а б в г Certainty and Uncertainty in the Practice of Science: Electrons, Muons, and Taus(англ.)
  6. Higgs Properties and Fourth Generation Leptons(англ.)
  7. Production of Tauonic Uranium in e+-e- Machines(англ.)
  8. Using Muonic Hydrogen in Optical Spectroscopy Experiment to Detect Extra Dimensions(англ.)