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. Тау-лептон є найважчим та найбільш короткоживучим лептоном.

Розпади

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 .

Тау-лептон, завдяки своїй великій масі може розпадатися дуже різноманітноτ BRANCHING FRACTIONS :

Тип Канал розпаду Ймовірність Лептонний 17,85 % Лептонний 17,36 % Адронний 10,91 % Адронний 25,51 % Адронний 9,29 % Адронний 1,04 % Адронний під h мається на увазі піон або каон 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.

У 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.

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 калібрувальними бозонами, через які йде розпад.

Історія відкриття Після відкриття мюона 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 з якою мюон та 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. ін.Certainty and Uncertainty in the Practice of Science: Electrons, Muons, and Taus

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. Також, у деяких роботах її називали U, від unknown.

Масу тау точніше виміряв Бранделік у 1978 році в експериментах на німецькому прискорювачі DORIS.

Час життя лептона був виміряний у 1982 році кількома незалежними групами.

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

Припущення про існування ще більш важких лептонів (4-го покоління) наразі лишається відкритимHiggs Properties and Fourth Generation Leptons .

Екзотичні атоми 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 із 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 теоріїProduction of Tauonic Uranium in e+-e- Machines Using Muonic Hydrogen in Optical Spectroscopy Experiment to Detect Extra Dimensions . Проте наразі такі системи не було зафіксовано, як через важкість отримання тау-частинок, так і через дуже малий час їх життя.

Цікаві факти Завдяки існуванню аномалії у 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, існування третього покоління кварків було експериментально підтверджене в 1977 (b-кварк) та 1995 (t-кварк) роках. Після відкриття тау-лептона вважалося очевидним існування тау-нейтрино в продуктах його розпаду, однак це було складно перевірити. Нейтрино дуже слабко взаємодіють з речовиною. Щоб визначити існування саме тау-нейтрино, необхідно спостерігати процес утворення тау-лептона у таких рідкісних взаємодіях, що є складною експериментальною задачею через короткоживучість тау-лептона. Лише 2000 року було експериментально доведено існування тау-нейтрино, що є останнім (із наразі відомих) ферміоном Стандартної моделі. На адронних колайдерах основним джерелом тау-лептонів є розпади зачарованих та красивих адронів, а також W- і Z-бозонівTau physics at proton-antiproton collidersTau-lepton physics at the FCC-ee circular e+e−collider . Ведеться пошук розпадів тау-лептона, в яких не уторюється нейтрино. Такі процеси заборонені у Стандартній моделі, оскільки вони порушують закон збереження тау-лептонного числа, але можуть бути дозволеними в гіпотетичних розширеннях Стандартної моделі. Жодних порушень Стандартної моделі виявлено не було.

Примітки