Tau (partícula)
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| Composição: | Partícula elementar |
| Família: | Lépton |
| Interação: | Gravidade, força fraca e eletromagnetismo |
| Símbolo(s): | t- |
| Antipartícula: | Antitau |
| Descoberta: | Martin Lewis Perl, 1975 |
| Massa: | 1.777 GeV/c2 |
| Carga elétrica: | -1 |
| Spin: | ½ |
O tau, táuon ou tauão é uma partícula subatômica da família dos léptons, sendo que ele é muito parecido com o elétron, ele pode ser genericamente chamado de elétron superpesado, sua antipartícula é o antitau, como no caso do elétron e do múon, o tau tem um neutrino associado, este é o neutrino de tau, seu tempo de vida é de cerca 2,9 × 10-13 s.
História
[editar | editar código-fonte]A busca pelo tau começou em 1960 no CERN, pelo grupo Bologna-CERN-Frascati (BCF), liderado por Antonino Zichichi. Zichichi teve a ideia de um novo lépton pesado sequencial, agora chamado tau, e inventou um método de busca. Ele realizou o experimento na instalação ADONE em 1969, uma vez que o acelerador se tornou operacional; no entanto, o acelerador que ele utilizou não tinha energia suficiente para buscar a partícula tau. [1][2][3]
Antes da descoberta do tau, Martin Perl e sua equipe passaram quase uma década (1965-1974) estudando a interação do múon com prótons, buscando diferenças entre os múons e elétrons. Apesar dos esforços, diferenças significativas entre essas partículas não foram encontradas. Esse impasse fez com que Perl começasse a especular que, talvez, a resposta não estivesse na diferença entre o múon e o elétron, mas na existência de outro lépton carregado. Foi essa linha de raciocínio que levou à proposta de uma nova busca experimental, culminando na descoberta do tau.[4]
A busca pelo tau utilizou a aniquilação elétron-pósitron como método de pesquisa, o que possibilitou a produção de novos léptons pesados. Esse método tinha muitas vantagens, incluindo a possibilidade de explorar massas próximas à energia do feixe e a capacidade de detectar decaimentos em elétrons e múons, que produziam eventos com energia e partículas faltantes.[4]
O tau foi previsto de forma independente em um artigo de 1971 por Yung-su Tsai.[5] Fornecendo a teoria para essa descoberta, o tau foi detectado em uma série de experimentos entre 1974 e 1977 por Martin Lewis Perl com seus colegas e os de Tsai no Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) e no grupo do Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL).[6] Seu equipamento consistia no novo anel de colisão de elétrons e pósitrons do SLAC, chamado SPEAR, e no detector magnético do LBL. Eles podiam detectar e distinguir entre léptons, hádrons e fótons. Eles não detectaram o tau diretamente, mas descobriram eventos anômalos:
"Nós descobrimos 64 eventos na formapelo menos duas partículas não detectadas para as quais não temos uma explicação convencional."
e+
+
e−
→
e±
+μ ∓
A necessidade de pelo menos duas partículas não detectadas foi demonstrada pela incapacidade de conservar energia e momento com apenas uma. No entanto, não foram detectados outros múons, elétrons, fótons ou hádrons. Propôs-se que esse evento era a produção e subsequente decaimento de um novo par de partículas:
-
e+
+
e−
→τ +
+τ −
→
e±
+μ ∓
+ 4ν
Isso foi difícil de verificar, pois a energia para produzir o par
é similar ao limiar para a produção de mésons D. A massa e o spin do tau foram posteriormente estabelecidos pelo trabalho realizado no DESY-Hamburgo com o Espectrômetro de Duplo Braço (DASP), e no SLAC-Stanford com o Contador Direto de Elétrons do SPEAR (DELCO).
O símbolo
Antes da descoberta do tau, Martin Perl e sua equipe passaram quase uma década (1965-1974) estudando a interação do múon com prótons, buscando diferenças entre os múons e elétrons. Apesar dos esforços, diferenças significativas entre essas partículas não foram encontradas. Esse impasse fez com que Perl começasse a especular que, talvez, a resposta não estivesse na diferença entre o múon e o elétron, mas na existência de outro lépton carregado. Foi essa linha de raciocínio que levou à proposta de uma nova busca experimental, culminando na descoberta do tau.A busca pelo tau utilizou a aniquilação elétron-pósitron como método de pesquisa, o que possibilitou a produção de novos léptons pesados. Esse método tinha muitas vantagens, incluindo a possibilidade de explorar massas próximas à energia do feixe e a capacidade de detectar decaimentos em elétrons e múons, que produziam eventos com energia e partículas faltantes.[4]
A necessidade de pelo menos duas partículas não detectadas foi demonstrada pela incapacidade de conservar energia e momento com apenas uma. No entanto, não foram detectados outros múons, elétrons, fótons ou hádrons. Propôs-se que esse evento era a produção e subsequente decaimento de um novo par de partículas. No início, houve muito ceticismo quanto à validade desses resultados. Alguns cientistas acreditavam que os eventos anômalos poderiam ser explicados pela identificação incorreta de outras partículas, como hádrons. Isso foi difícil de verificar, pois a energia para produzir o par é similar ao limiar para a produção de mésons D.
Decaimento e detecção
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Devido a sua meia-vida muito curta, o tau rapidamente decai em outras partículas. Além disso, devido a sua alta massa de repouso, é o único lépton que consegue decair em hádrons, além de poder decair em léptons. Quando decai em hádrons, é chamado de decaimento hadrônico. E quando decai em léptons, decaimento leptônico.[8]
Ambos os decaimentos acontecem havendo a formação do neutrino do tau, e no caso do decaimento leptônico, também a formação do antineutrino do lépton correspondente. O tau decai via interação fraca, através da mediação do bóson W.
A probabilidade do tau decair em um neutrino do tau + elétron + antineutrino do elétron é 17,818%. Para decair em um neutrino do tau + múon + antineutrino do múon é 17,818%. Assim, a probabilidade de decair leptônicamente é de 35,636%. O fato de ambos decaimentos leptônicos apresentarem a mesma probabilidade é uma consequência da universalidade leptônica.
Na maior parte das vezes o tau decai em hádrons. A probabilidade de acontecer o decaimento hadrônico é de 64,364%. Dentro do decaimento hadrônico, os diferentes canais de decaimento tem as seguintes probabilidades:
- 25,504 % das vezes formam 1 neutrino do tau + 1 píon negativo + 1 píon neutro.
- 10,811% das vezes formam 1 neutrino do tau + 1 píon negativo.
- 9,2414 % das vezes formam 1 neutrino do tau + 1 píon negativo + 2 píons neutros.
- 8,9719 % das vezes formam 1 neutrino do tau + 2 píon negativos + 1 píon positivo.
- E o resto, para a formação de outros hádrons.[8]
Devido sua baixa meia-vida, o tau não é possível de ser detectado diretamente. Por isso, para se estudar as propriedades do tau, é necessário estudar as propriedades das partículas que são formadas nos decaimentos, para reconstruir essas propriedades do tau. No LHC, os experimentos ATLAS e CMS, fizeram uma série de medidas que houveram a formação do tau, em eventos com a formação do W, Z e o quark top, no qual cada um dos três decaíram em taus.[8]
Os experimentos de Física de Altas Energias tem dado muita atenção para o estudo dos taus, porque eles podem ser uma boa fonte para a descoberta de Nova Física, como as possíveis descobertas do leptoquark, os bósons de Higgs superssimétricos (carregado e neutro) e outras partículas supersimétricas.[8]
Átomos exóticos
[editar | editar código-fonte]Ao contrário dos átomos comuns, que consistem em prótons, nêutrons e elétrons, os átomos exóticos incluem partículas subatômicas incomuns ou mesmo antipartículas. Esses sistemas fornecem uma janela única para o estudo de interações fundamentais e propriedades da matéria em condições extremas.
Alguns exemplos de átomos exóticos são[9][10][11]:
- Pósitônio: Átomo formado por um elétron e sua antipartícula, o pósitron. Este átomo é instável, pois o elétron e o pósitron se aniquilam rapidamente, liberando energia na forma de fótons de raios gama.
- Muônio: Composto por um múon (uma partícula similar ao elétron, mas muito mais massiva) e um próton. Embora o muônio seja muito instável, sua breve existência permite o estudo de interações de múons em ambientes atômicos.
- Átomos de antimatéria: Exemplificado pelo anti-hidrogênio, composto por um antipróton e um pósitron. A produção e estudo desses átomos em aceleradores de partículas ajudam a testar simetrias fundamentais na física, como a simetria CPT (Carga, Paridade e Tempo).
- Átomos com mésons: Um méson substitui o elétron no átomo, criando um sistema que é estudado para entender melhor as interações fortes, que são as forças que mantêm os núcleos atômicos coesos
Ver também
[editar | editar código-fonte]Referências
- ↑ Zichichi, A. (1996). «Foundations of Sequential Heavy Lepton Searches». Boston, MA: Springer US: 227–275. ISBN 978-1-4612-8448-2. Consultado em 7 de setembro de 2024
- ↑ 't Hooft, Gerard (28 de novembro de 1996). In Search of the Ultimate Building Blocks. [S.l.]: Cambridge University Press
- ↑ Wu, C. S.; Barnabei, O., eds. (1998). The origin of the third family: in honour of A. Zichichi on the XXX anniversary of the proposal to search for the Third Lepton at Adone. Col: World Scientific series in 20th century physics. Singapore ; River Edge, N.J: World Scientific
- ↑ a b c Perl, Martin (1997). Brown, Laurie; Hoddeson, Lillian; Dresden, Max; Riordan, Michael, eds. «The Discovery of the Tau Lepton». Cambridge: Cambridge University Press: 79–100. ISBN 978-0-521-57082-4. Consultado em 7 de setembro de 2024
- ↑ Tsai, Yung-Su (1 de novembro de 1971). «Decay Correlations of Heavy Leptons in e + + e − → l + + l −». Physical Review D (em inglês) (9): 2821–2837. ISSN 0556-2821. doi:10.1103/PhysRevD.4.2821. Consultado em 7 de setembro de 2024
- ↑ Perl, M. L.; Abrams, G. S.; Boyarski, A. M.; Breidenbach, M.; Briggs, D. D.; Bulos, F.; Chinowsky, W.; Dakin, J. T.; Feldman, G. J. (1 de dezembro de 1975). «Evidence for Anomalous Lepton Production in e + − e − Annihilation». Physical Review Letters (em inglês) (22): 1489–1492. ISSN 0031-9007. doi:10.1103/PhysRevLett.35.1489. Consultado em 7 de setembro de 2024
- ↑ Lubkin, Gloria B. (1 de novembro de 1977). «Evidence grows for charged heavy lepton at 1.8–2.0 GeV». Physics Today (11): 17–20. ISSN 0031-9228. doi:10.1063/1.3037784. Consultado em 7 de setembro de 2024
- ↑ a b c d Pich, Antonio (março de 2014). «Precision tau physics». Progress in Particle and Nuclear Physics: 41–85. ISSN 0146-6410. doi:10.1016/j.ppnp.2013.11.002. Consultado em 7 de setembro de 2024
- ↑ Griffiths, David (23 de dezembro de 1987). Introduction to Elementary Particles. [S.l.]: Wiley
- ↑ Halzen, Francis; Martin, Alan D.; Mitra, Nilotpal (1 de março de 1985). «Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics». American Journal of Physics (3): 287–287. ISSN 0002-9505. doi:10.1119/1.14146. Consultado em 7 de setembro de 2024
- ↑ Weinberg, Steven (30 de junho de 1995). The Quantum Theory of Fields. [S.l.]: Cambridge University Press