Ταυ λεπτόνιο

Το λεπτόνιο ταυ (σύμβολο τ^-) είναι ένα αρνητικά φορτισμένο στοιχειώδες σωματίδιο με ζωή 2.90x10^-13 δευτερόλεπτα και μάζα 1777 MeV/c² (σε σύγκριση, η μάζα του πρωτονίου είναι 938 MeV/c² και του ηλεκτρονίου 0.511 MeV/c²). Έχει αντίστοιχο αντισωματίδιο, το αντιταύ και σχετικά νετρίνα (νετρίνο ταυ και αντινετρίνο ταυ).

Κατηγορία

Το λεπτόνιο ταυ ανήκει στην τρίτη γενιά λεπτονίων και είναι αντίστοιχο του ηλεκτρονίου (πρώτη γενιά) και του μιονίου (δεύτερη γενιά). Όπως και το ηλεκτρόνιο και το μιόνιο, το ταυ εμφανίζεται όμοιο σημείου χωρίς να έχει ποτέ βρεθεί εσωτερική δομή. Αν υπάρχει τέτοια δομή, τότε πρέπει αυτό το σωματίδιο να έχει μέγεθος μικρότερο από 10^-18 μέτρα. Επίσης, ακριβώς όπως το ηλεκτρόνιο και το μιόνιο, το ταυ έχει σπιν ½. Τέλος, το ταυ και το αντιταύ φέρουν το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο όπως το ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο αντίστοιχα.

Διάσπαση

Το ταυ είναι το μόνο λεπτόνιο που μπορεί να μετατραπεί σε αδρόνια (τα άλλα λεπτόνια δεν έχουν την αναγκαία μάζα). Όπως και οι υπόλοιποι τρόποι διάσπασης του λεπτονίου ταυ, η διάσπαση σε αδρόνια γίνεται μέσω της ασθενούς αλληλεπίδρασης.

Επειδή πρέπει ο λεπτονιακός αριθμός πάντα να διατηρείται, πάντα παράγεται ένα αντινετρίνο ταυ όταν ένα λεπτόνιο ταυ διασπάται σε άλλα σωματίδια.

Οι κοινές διασπάσεις του ταυ είναι οι ακόλουθες:

• Στο 17.84% των περιπτώσεων, το ταυ μετατρέπεται σε ένα αντινετρίνο ταυ, ένα ηλεκτρόνιο, και ένα ηλεκτρονικό αντινετρίνο.
• Στο 17.36% των περιπτώσεων, το ταυ μετατρέπεται σε ένα αντινετρίνο ταυ, ένα μιόνιο, και ένα μιονικό αντινετρίνο.

Ανακάλυψη

Το ταυ ανακαλύφθηκε σε μια σειρά πειραμάτων μεταξύ 1974 και 1977 από τον Martin Lewis Perl και τους συνεργάτες του της ομάδας SLAC-LBL. Χρησιμοποιούσαν τον καινούριο τότε δακτύλιο συγκρούσεων ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων του SLAC ο οποίος λεγόταν SPEAR και το μαγνητικό ανιχνευτή LBL. Είχαν τη δυνατότητα να παρατηρούν και να διαχωρίζουν μεταξύ λεπτονίων, αδρονίων, και φωτονίων. Δεν παρατήρησαν το ταυ κατευθείαν, αλλά ανακάλυψαν περιπτώσεις με ανωμαλίες:

"Έχουμε ανακαλύψει 64 περιστατικά της μορφής

$e^{+}+e^{-}\rightarrow e^{\pm }+\mu ^{\mp }+\geq$ 2 σωματίδια που δεν παρατηρήθηκαν

για τα οποία δεν έχουμε συμβατική εξήγηση."

Η ανάγκη για τουλάχιστο ακόμα δύο σωματίδια πήγαζε από την αδυναμία να επιδειχθεί διατήρηση της ενέργειας και της ορμής με μόνο ένα. Όμως, άλλα μιόνια, ηλεκτρόνια, φωτόνια, ή αδρόνια δεν παρατηρούντο. Έτσι προτάθηκε ότι αυτά τα περιστατικά περιείχαν την παραγωγή και μετέπειτα διάσπαση ενός νέου ζεύγους σωματιδίων:

$e^{+}+e^{-}\rightarrow \tau ^{+}+\tau ^{-}\rightarrow e^{\pm }+\mu ^{\mp }+$ 4 νετρίνα

Αυτό ήταν πολύ δύσκολο να επιβεβαιωθεί διότι η ενέργεια για να παραχθεί ένα ζεύγος ταυ-αντιταύ είναι παρόμοια με το όριο για την παραγωγή μεσονίων D. Αλλά, εργασία που έγινε στο DESY-Heidelberg και με τον Απευθείας Μετρητή Ηλεκτρονίων (Direct Electron Counter - DELCO) του επιταχυντή SPEAR τελικά βρήκε τη μάζα και το σπιν του ταυ.

Ο Martin Perl μοιράστηκε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1995 με τον Frederick Reines. Ο τελευταίος βραβεύθηκε διότι κατάφερε να παρατηρήσει το νετρίνο.