Første observation af fotoner-til-taus i proton-proton-kollisioner

I marts 2024 annoncerede CMS-samarbejdet observationen af ​​to fotoner, der skaber to tau-leptoner i proton-proton-kollisioner. Det er første gang, at denne proces er blevet set i proton-proton-kollisioner, som blev muliggjort ved at bruge CMS-detektorens præcise sporingsfunktioner. Det er også den mest præcise måling af taus unormale magnetiske moment og tilbyder en ny måde at begrænse eksistensen af ​​ny fysik på.

Tauen, nogle gange kaldet tauon, er en ejendommelig partikel i familien af ​​leptoner. Generelt udgør leptoner sammen med kvarker "stof"-indholdet i Standardmodellen (SM). Tau'en blev først opdaget i slutningen af ​​1970'erne ved SLAC, og dens tilknyttede neutrino - tau-neutrinoen - fuldendte den håndgribelige stofdel efter dens opdagelse i 2000 af DONUT-samarbejdet hos Fermilab.

Præcis forskning for tau er dog ret vanskelig, da dens levetid er meget kort:den forbliver stabil i kun 290·10 ^-15 s (en hundrede kvadrilliontedel af et sekund).

De to andre ladede leptoner, elektronen og myonen, er ret godt undersøgt. Der er også kendt meget om deres magnetiske momenter og deres tilhørende unormale magnetiske momenter. Førstnævnte kan forstås som styrken og orienteringen af ​​en imaginær stangmagnet inde i en partikel.

Denne målbare størrelse har imidlertid brug for korrektioner på kvanteniveauet, der opstår fra virtuelle partikler, der trækker i det magnetiske øjeblik, og afviger fra den forudsagte værdi. Kvantekorrektionen, omtalt som unormalt magnetisk moment, er af størrelsesordenen 0,1%. Hvis de teoretiske og eksperimentelle resultater er uenige, så er dette unormale magnetiske moment, a_l , åbner døre til fysik ud over SM.

Det unormale magnetiske moment af elektronen er en af ​​de mest præcist kendte størrelser i partikelfysikken og stemmer perfekt overens med SM. Dets muoniske modstykke er på den anden side en af ​​de mest undersøgte, som der forskes i. Selvom teori og eksperimenter for det meste har været enige indtil videre, giver de seneste resultater anledning til en spænding, der kræver yderligere undersøgelse.

For tau'erne kører løbet dog stadig. Det er især svært at måle dets unormale magnetiske moment, a_τ , på grund af tau'ens korte levetid. De første forsøg på at måle aτ efter taus opdagelse kom med en usikkerhed, der var 30 gange højere end størrelsen af ​​kvantekorrektionerne. Eksperimentel indsats på CERN med LEP- og LHC-detektorerne forbedrede begrænsningerne, hvilket reducerede usikkerheden til 20 gange størrelsen af ​​kvantekorrektionerne.

Ved kollisioner leder forskerne efter en særlig proces:to fotoner, der interagerer for at producere to tau-leptoner, også kaldet et di-tau-par, som derefter henfalder til myoner, elektroner eller ladede pioner og neutrinoer. Hidtil har både ATLAS og CMS observeret dette i ultraperifere bly-bly-kollisioner. Nu rapporterer CMS om den første observation af den samme proces under proton-proton-kollisioner. Disse kollisioner giver en højere følsomhed over for fysik ud over SM, da nye fysikeffekter øges med kollisionsenergien.

Med CMS-detektorens enestående sporingsegenskaber var samarbejdet i stand til at isolere denne specifikke proces fra andre ved at udvælge hændelser, hvor taus produceres uden noget andet spor inden for afstande så små som 1 mm. "Denne bemærkelsesværdige præstation med at detektere ultraperifere proton-proton-kollisioner sætter scenen for mange banebrydende målinger af denne art med CMS-eksperimentet," sagde Michael Pitt, fra CMS-analyseteamet.

Denne nye metode tilbyder en ny måde at begrænse det tau unormale magnetiske moment, som CMS-samarbejdet prøvede med det samme. Mens betydningen vil blive forbedret med fremtidige kørselsdata, sætter deres nye måling de strammeste begrænsninger hidtil med højere præcision end nogensinde før. Det reducerer usikkerheden fra forudsigelserne ned til kun tre gange størrelsen af ​​kvantekorrektionerne.

"Det er virkelig spændende, at vi endelig kan indsnævre nogle af de grundlæggende egenskaber ved den undvigende tau lepton," sagde Izaak Neutelings, fra CMS-analyseteamet. "Denne analyse introducerer en ny tilgang til probe tau g-2 og revitaliserer målinger, der har været stagnerende i mere end to årtier," tilføjede Xuelong Qin, et andet medlem af analyseteamet.

En interaktiv 3D-version af begivenhedsvisningen med alle spor kan ses her.

Leveret af CERN