Leptó tau

El tauó, leptó τ o partícula τ^[3] és una partícula elemental amb càrrega negativa (–e), espín d'¹⁄₂ i massa igual a 1 777 MeV/c². Forma part de la tercera família de partícules elementals conegudes com a fermions. Totes aquestes partícules són conegudes com a leptons, i tenen aparellat un neutrí per a cadascuna. És una partícula inestable amb una semivida de 2,96 × 10^–13 s o 0,296 ps, més curta que la del muó, i es desintegra per acció de la força feble en altres leptons i hadrons, majoritàriament pions.

Tauó

Classificació	leptó amb càrrega i partícula elemental
Composició	Partícula elemental
Estadística	Fermiònica
Grup	Leptó
Generació	Tercera
Interaccions	Gravetat, Electromagnetisme, Feble
Símbol	τ-
Antipartícula	Antitau τ+
Descoberta	Martin Lewis Perl et al. (1975)[1]
Massa	1.776,82±0,16 MeV/c2[2]
Vida mitjana	0
Càrrega elèctrica	−1 e[2]
Càrrega de color	Cap
Espín	1⁄2[2]
Supercompanya	Stauó
Número de partícula de Monte Carlo	15

Com en el cas de la resta de partícules elementals, el tauó té la seva antipartícula amb igual massa i espín, però de càrrega oposada, que rep el nom d'antitauó. El tauó es representa com a τ^–, perquè té càrrega elèctrica negativa (–e = –1,602 × 10^–19 C) i l'antitauó com a τ⁺ perquè la té positiva (+e = +1,602 × 10^–19 C).^[4]

Martin L. Perl.

Accelerador lineal de la Universitat Stanford (SLAC).

El tauó fou detectat en experiments dirigits pel físic estatunidenc Martin Lewis Perl (1927-2014) en el Centre de l'Accelerador Lineal de Stanford (SLAC) i en Laboratori Nacional de Lawrence Berkeley (LBL) durant 1974 i 1977^[5][6] en una sèrie d'experiments on feien xocar electrons contra positrons accelerats fins a grans velocitats. De l'anihilació en xocar una partícula de matèria, l'electró, amb una d'antimatèria, el positró, es generava una gran quantitat d'energia que es materialitzava en noves partícules. Però no fou fins al 1979 que queda confirmada l'existència del leptó tau.^[7] Les reaccions foren diverses en funció de la velocitat dels electrons i positrons. Per exemple:

$${\displaystyle e^{-}+e^{+}\longrightarrow \tau ^{-}+\tau ^{+}}$$$${\displaystyle e^{-}+e^{+}\longrightarrow \tau ^{-}+\tau ^{+}+e^{-}+e^{+}}$$

Perl l'anomenà en anglès tauon ‘tauó’ perquè era el tercer leptó en ser descobert i la primera lletra del mot grec τρίτος, trítos, ‘tercer’ és la lletra grega tau.^[8] Aquest descobriment contribuí a fer que el Premi Nobel de Física de 1995 fou atorgat a Perl.^[6]

Estructura del pió π+ amb la parella de quarks ${\textstyle u{\bar {d}}}$.

El tauó és similar a l'electró, i al muó, però més pesant (m_τ = 1 777 MeV/c² = 3,181 × 10^–27 kg). La massa de l'electró és m_e = 0,511 MeV/c² i la del muó m_μ = 105,7 MeV/c². Fins i tot molt més pesant que el protó i el neutró (m_p = 938,3 MeV/c² = 1,673 × 10^–27 i m_n = 939,6 MeV/c²), constituïts per tres quarks cadascun i que són hadrons. Com el muó és una partícula inestable amb una semivida de 2,96 × 10^–13 s o 0,296 ps, molt més curta que la del muó (2,2 × 10^–6 s o 2,2 μs).^[4]

La desintegració del tauó pot donar lloc a diferents partícules. La desintegració més important, el 25,49 % de les vegades, dona lloc a dos pions i un neutrí tauònic.^[9] És l'únic leptó que pot desintegrar-se donant lloc a hadrons, especialment pions, i per tant també és l'únic leptó que pot desintegrar-se en quarks.^[4] El pió ${\displaystyle \pi ^{-}}$ està constituït per la parella ${\textstyle {\bar {u}}d}$ (antiquark up i quark down), el pió ${\displaystyle \pi ^{0}}$ està format per la parella ${\textstyle u{\bar {u}}}$ o per la parella ${\textstyle d{\bar {d}}}$:^[9]

$${\displaystyle \tau ^{-}\longrightarrow \pi ^{-}+\pi ^{0}+\nu _{\tau }}$$

Diagrama de Feynman que recull les quatre desintegracions més importants del leptó tau.

Segueixen a aquesta dues desintegracions amb percentatges del 17,82 % i del 17,39 % que produeixen un electró ${\displaystyle e^{-}}$, un antineutrí electrònic ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$ i un neutrí tauònic ${\displaystyle \nu _{\tau }}$ a la primera, i un muó ${\displaystyle \mu ^{-}}$, un antineutrí muònic ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{\mu }}$ i un neutrí tauònic ${\displaystyle \nu _{\tau }}$. Les reaccions són:^[9]

$${\displaystyle \tau ^{-}\longrightarrow e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+\nu _{\tau },\quad \quad \tau ^{-}\longrightarrow \mu ^{-}+{\bar {\nu }}_{\mu }+\nu _{\tau }}$$

L'altra desintegració important, un 10,82 % de les vegades dona un pió, el ${\displaystyle \pi ^{-}}$, i un neutrí tauònic:^[9]

$${\displaystyle \tau ^{-}\longrightarrow \pi ^{-}+\nu _{\tau }}$$

Referències

1. Okunʹ, Lev Borisovich. Leptons and quarks. Amsterdam New York: North-Holland Pub. Co. Distributors for the U.S.A. and Canada, Elsevier Science Publishing, Inc, 1982. ISBN 978-0-444-86924-1.
2. K. Nakamura et al. (Particle Data Group) «Review of Particle Physics: Leptons». Journal of Physics G, 37, 7A, 2010, pàg. 525–553. Bibcode: 2010JPhG...37g5021N. DOI: 10.1088/0954-3899/37/7A/075021.^{[Enllaç no actiu]}
3. «tauó». Cercaterm, TERMCAT. [Consulta: 30 desembre 2021].
4. Nave, R. «Leptons». HyperPhysics. [Consulta: 27 maig 2023].
5. Perl, M.L.. Comments on the tau heavy lepton. SLAC-PUB--1991, 1977.
6. Sutton, Christine. «tau» (en anglès). Encyclopædia Britannica, 2003.
7. Halyo, Valerie «Martin L. Perl (1927–2014)» (en anglès). Nature, 516, 7531, 12-2014, pàg. 330–330. DOI: 10.1038/516330a. ISSN: 1476-4687.
8. Perl, Martin L. «Evidence for, and properties of, the new charged heavy lepton». SLAC-PUB-1923, 4-1977, pàg. 3.
9. Hagiwara, K.; Hikasa, K.; Nakamura, K.; Tanabashi, M.; Aguilar-Benitez, M. «Review of Particle Properties» (en anglès). Physical Review D, 66, 1, 01-07-2002. DOI: 10.1103/PhysRevD.66.010001. ISSN: 0556-2821.

Enllaços externs

• http://fisteo12.ific.uv.es/~santamar/poster-tau.a4.pdf.