本條目是介紹帶負電荷的基本粒子
τ子 ,關於陶子的其他含意,请参看
陶子 。
τ子 (tauon),又稱陶子 、濤子 ,是帶負電荷 、自旋 1 ⁄2 的基本粒子 ,標記為 τ− ,由馬丁·佩爾 實驗團隊於1975年發現。τ子、電子 、緲子 與對應的三種中微子 ,都歸屬於輕子 ;τ子是第三代輕子,電子是第一代,緲子是第二代。對應於τ子的中微子稱為τ中微子 。τ子的反粒子 稱為反τ子 ,帶正電荷 ,其壽命 、質量 、自旋 都和τ子相同,標記為 τ+ 。
τ子的半衰期 為6987290000000000000♠ 2.9× 10−13 秒 ,質量 為6990284677922563134♠ 1776 .82 MeV (稍加比較,電子 的質量為6986818712184856999♠ 0.511 MeV ,緲子的質量為6989169350054675900♠ 105.7 MeV )。τ子的相互作用與電子非常類似,τ子可以視為電子的特大質量版本。由於τ子的特大質量,τ子發射出的軔致輻射 比電子少很多,因此,τ子比電子更具有穿透性,但是τ子的壽命很短,τ子的移動範圍主要是由衰變長度設定,由於數值過小,很難觀察到軔致輻射。只有在超高能量時,即能量超過PeV 時,才能觀察到τ子的穿透性。[ 4]
歷史
馬丁·佩爾
馬丁·佩爾 實驗團隊於1975年做實驗探測到τ子。[ 2] [ 5] :ch5 這實驗主要使用到史丹福直線加速器中心 那時新裝置的史丹福正負電子非對稱圈 (SPEAR)與勞倫斯伯克利國家實驗室 的磁性探測器。該實驗可以探測與分辨輕子、強子與光子,但該實驗並沒有直接探測到τ子,而是發現了64筆無法給出合理解釋的反常事件,這些事件的形式可以表示為
e
+
+
e
− − -->
→
e
± ± -->
+
μ μ -->
∓ ∓ -->
+
{\displaystyle \mathrm {e^{+}+e^{-}{\xrightarrow[{}]{}}\ e^{\pm }\ +\mu ^{\mp }\ +\ } }
至少兩個未被探測到的粒子
由於無法只用一個粒子來滿足能量守恆與動量守恆,因此必須存在有至少兩個未被探測到的粒子,可是該實驗並未探測到任何其它緲子、電子、光子、或強子,所以佩爾團隊提議,在這些事件裏,嶄新種類的 τ+ τ− 粒子對被製成,然後在短暫時間後又衰變為緲子與中微子:
e
+
+
e
− − -->
→
τ τ -->
+
+
τ τ -->
− − -->
→
e
± ± -->
+
μ μ -->
∓ ∓ -->
+
4
ν ν -->
{\displaystyle \mathrm {e^{+}+e^{-}{\xrightarrow[{}]{}}\ \tau ^{+}\ +\tau ^{-}\ {\xrightarrow[{}]{}}\ e^{\pm }\ +\mu ^{\mp }\ +4\nu } }
這反應很難核對,因為製成 τ+ τ− 對所需的能量與製成D介子 的閾值相近。後來,在德國電子加速器-漢堡 、史丹福正負電子非對稱圈 的直接電子計數器(Direct Electron Counter,DELCO)完成的研究工作測得了τ子的質量與自旋。佩爾因為發現τ子與對輕子物理學的開創性實驗研究、弗雷德里克·萊因斯 因為發現中微子 與對輕子物理學的開創性實驗研究,兩人共同榮獲1995年諾貝爾物理學獎 。
符號τ衍生自希臘語τρίτον (triton ,在英文裏"第三個"的意思),τ子是第三個被發現的帶電輕子。[ 6]
衰變
τ子衰變時發射W 玻色子 的費曼圖 。
τ子是唯一可以衰變成強子 的輕子 ,其它輕子並不具有必需的質量。如同τ子的其它衰變方法,強子型衰變是通過弱相互作用進行。[ 7] τ子的幾個主要強子型衰變與實驗測得的分支比為[ 3] [ 8]
τ τ -->
− − -->
→
25.52
% % -->
π π -->
− − -->
+
π π -->
0
+
ν ν -->
τ τ -->
{\displaystyle \mathrm {\tau ^{-}\ \xrightarrow {25.52\%} \ \pi ^{-}\ +\pi ^{0}\ +\nu _{\tau }} }
τ τ -->
− − -->
→
10.83
% % -->
π π -->
− − -->
+
ν ν -->
τ τ -->
{\displaystyle \mathrm {\tau ^{-}\ \xrightarrow {10.83\%} \ \pi ^{-}\ +\nu _{\tau }} }
τ τ -->
− − -->
→
9.30
% % -->
π π -->
− − -->
+
2
π π -->
0
+
ν ν -->
τ τ -->
{\displaystyle \mathrm {\tau ^{-}\ \xrightarrow {9.30\%} \ \pi ^{-}\ +2\pi ^{0}\ +\nu _{\tau }} }
τ τ -->
− − -->
→
8.99
% % -->
π π -->
− − -->
+
π π -->
+
+
π π -->
− − -->
+
ν ν -->
τ τ -->
{\displaystyle \mathrm {\tau ^{-}\ \xrightarrow {8.99\%} \ \pi ^{-}\ +\pi ^{+}\ +\pi ^{-}\ +\nu _{\tau }} }
τ τ -->
− − -->
→
2.70
% % -->
π π -->
− − -->
+
π π -->
+
+
π π -->
− − -->
+
π π -->
0
+
ν ν -->
τ τ -->
{\displaystyle \mathrm {\tau ^{-}\ \xrightarrow {2.70\%} \ \pi ^{-}\ +\pi ^{+}\ +\pi ^{-}\ +\pi ^{0}\ +\nu _{\tau }} }
τ τ -->
− − -->
→
1.05
% % -->
π π -->
− − -->
+
3
π π -->
0
+
ν ν -->
τ τ -->
{\displaystyle \mathrm {\tau ^{-}\ \xrightarrow {1.05\%} \ \pi ^{-}\ +3\pi ^{0}\ +\nu _{\tau }} }
將τ子的所有強子型衰變分支比總合起來,約為64.79%。
在標準模型 裏,τ子與τ中微子的τ子數 Lτ 為1,反τ子與反τ中微子的τ子數Lτ 為-1;其它種輕子的τ子數Lτ 為0。由於在弱衰變裏,τ子數守恆,每當τ子衰變為緲子或電子時,會同步產生一個τ中微子 。[ 7] τ子的常見純輕子型衰變與實驗測得的分支比為[ 3]
τ τ -->
− − -->
→
17.83
% % -->
ν ν -->
τ τ -->
+
e
− − -->
+
ν ν -->
¯ ¯ -->
e
{\displaystyle \mathrm {\tau ^{-}\ \xrightarrow {17.83\%} \nu _{\tau }\ +e^{-}\ +{\bar {\nu }}_{e}} }
τ τ -->
− − -->
→
17.41
% % -->
ν ν -->
τ τ -->
+
μ μ -->
− − -->
+
ν ν -->
¯ ¯ -->
μ μ -->
{\displaystyle \mathrm {\tau ^{-}\ \xrightarrow {17.41\%} \ \nu _{\tau }\ +\mu ^{-}\ +{\bar {\nu }}_{\mu }} }
由於輕子普適性 ,這兩個數值很近似。[ 9] :36-38
奇異原子
像其它帶電亞原子粒子一般,τ子也可能與其他亞原子粒子共同形成奇異原子 。例如,與電子偶素 e+ e− 或緲子偶素 μ+ e− 類似的τ子偶素 (tauonium) τ+ e− ,被預測有製備出來的可能性。[ 10]
探測 τ+ τ− 原子對於量子電動力學 的研究極為重要,因為它是最具質量,最緊密的純量子電動力學系統之一。但是,由於τ子會非常快速地衰變,製備與研究 τ+ τ− 原子是很困難的實驗。[ 10]
參閱
參考文獻
^
L. B. Okun. Leptons and Quarks. V.I. Kisin (trans.). North-Holland Publishing. 1980: 103. ISBN 978-0444869241 .
^ 2.0 2.1
Martin Perl; et al. Evidence for Anomalous Lepton Production in e+ e− Annihilation. Physical Review Letters. 1975, 35 (22): 1489. Bibcode:1975PhRvL..35.1489P . doi:10.1103/PhysRevLett.35.1489 .
^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 J. Beringer (Particle Data Group); et al. Review of Particle Physics . Journal of Physics G. 2012, 86 (1): 581–651 [2014-08-07 ] . Bibcode:2012PhRvD..86a0001B . doi:10.1103/PhysRevD.86.010001 . (原始内容存档 于2020-05-10).
^
D. Fargion, P.G. De Sanctis Lucentini, M. De Santis, M. Grossi. Tau Air Showers from Earth. The Astrophysical Journal. 2004, 613 (2): 1285. Bibcode:2004ApJ...613.1285F . arXiv:hep-ph/0305128 . doi:10.1086/423124 .
^ Lillian Hoddeson. The Rise of the Standard Model: A History of Particle Physics from 1964 to 1979. Cambridge University Press. 13 November 1997. ISBN 978-0-521-57816-5 .
^ M.L. Perl. Evidence for, and properties of, the new charged heavy lepton (PDF) . T. Thanh Van (ed.) (编). Proceedings of the XII Rencontre de Moriond. 1977 [2014-08-10 ] . SLAC-PUB-1923. (原始内容存档 (PDF) 于2017-08-22).
^ 7.0 7.1 Riazuddin. Non-standard interactions (PDF) . NCP 5th Particle Physics Sypnoisis (Islamabad,: Riazuddin, Head of High-Energy Theory Group at National Center for Physics). 2009, 1 (1): 1–25. (原始内容 (PDF) 存档于2016-03-03).
^ J. Beringer; et al. Tau Branching Fraction (PDF) . 2013 Review of Particle Physics. Particle Data Group. [Aug 8, 2014] . (原始内容存档 (PDF) 于2021-04-21).
^ B.R. Martin, G. Shaw. Chapter 2 – Leptons, quarks and hadrons. Particle Physics. John Wiley & Sons. 2008. ISBN 0470032944 .
^ 10.0 10.1
Brodsky, Stanley J.; Lebed, Richard F. Production of the Smallest QED Atom: True Muonium (μ+ μ− ). Physical Review Letters. 2009, 102 (21): 213401. Bibcode:2009PhRvL.102u3401B . arXiv:0904.2225 . doi:10.1103/PhysRevLett.102.213401 .
外部連結