تاو (جسيم)

جسيم تاو ( τ ) ، ويُسمى أيضًا جسيم تاو أو ليبتون تاو ، هو جسيم أولي مشابه للإلكترون، ذو شحنة كهربائية سالبة ودوران مغزلي مقداره 1/2 . ومثل الإلكترون والميون والنيوترينوات الثلاثة ، يُعد التاو ليبتونًا ، ومثل جميع الجسيمات الأولية ذات الدوران المغزلي نصف الصحيح ، فإن للتاو جسيمًا مضادًا له شحنة معاكسة ولكن كتلة ودوران متماثلان. في حالة التاو، يُسمى هذا الجسيم المضاد "التاو المضاد" (ويُسمى أيضًا التاو الموجب ). يُرمز لجسيمات التاو بالرمز τ− ^وللتاو المضاد بالرمز τ ⁺ .

تتمتع جسيمات تاو بعمر طويل من2.9 × 10 ⁻¹³  ثانية وكتلة من​1776.9 ميغا إلكترون فولت /  c² ( مقارنة ^بـ105.66  ميغا إلكترون فولت / c² للميونات ^وتبلغ طاقة جسيمات تاو 0.511  ميغا إلكترون فولت / ثانية ^(مربع سرعة الضوء للإلكترونات). ونظرًا لتشابه تفاعلاتها مع تفاعلات الإلكترونات، يمكن اعتبار جسيم تاو نسخة أثقل بكثير من الإلكترون. وبسبب كتلتها الأكبر، لا تُصدر جسيمات تاو إشعاعًا مثبطًا (بريمستراهلونغ) بنفس قدر الإلكترونات؛ وبالتالي، فهي تتمتع بقدرة اختراق أعلى بكثير من الإلكترونات.

نظراً لقصر عمره، فإن مدى جسيم تاو يتحدد بشكل أساسي بطول اضمحلاله، وهو قصير جداً بحيث لا يمكن ملاحظة تأثير إشعاع الكبح. ولا تظهر قدرته على الاختراق إلا عند السرعات والطاقات العالية جداً (أعلى من طاقة البيتا إلكترون فولت )، عندما يؤدي تمدد الزمن إلى إطالة مساره القصير جداً في الأحوال العادية. ^{[ 6 ]}

كما هو الحال مع اللبتونات المشحونة الأخرى، فإن التاو له نيوترينو تاو مرتبط به ، ويرمز له بـ ν _τ . 

بدأ البحث عن جسيم تاو في عام 1960 في مركز سيرن للأبحاث النووية (CERN) على يد مجموعة بولونيا-سيرن-فراسكاتي (BCF) بقيادة أنطونيو زيكيتشي . ابتكر زيكيتشي فكرة جسيم ليبتون ثقيل متسلسل جديد، يُعرف الآن باسم تاو، وطوّر طريقة للبحث عنه. أجرى التجربة في منشأة ADONE عام 1969 بعد تشغيل مسرّع الجسيمات فيها؛ إلا أن المسرّع الذي استخدمه لم يكن يمتلك طاقة كافية للبحث عن جسيم تاو. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

تم التنبؤ بوجود جسيم تاو بشكل مستقل في مقال نُشر عام 1971 بقلم يونغ سو تساي . ^{[ 10 ]} وقد تم رصد جسيم تاو، الذي قدم النظرية لهذا الاكتشاف، في سلسلة من التجارب بين عامي 1974 و1977 على يد مارتن لويس بيرل وزملائه في مركز ستانفورد للمسرع الخطي (SLAC) ومجموعة مختبر لورانس بيركلي الوطني (LBL). ^{[ 1 ]} تضمنت معداتهم حلقة تصادم الإلكترون-بوزيترون الجديدة آنذاك في مركز SLAC ، والتي تُسمى SPEAR ، بالإضافة إلى الكاشف المغناطيسي في مختبر LBL. وقد تمكنوا من رصد وتمييز اللبتونات والهادرونات والفوتونات . لم يرصدوا جسيم تاو بشكل مباشر، بل اكتشفوا أحداثًا شاذة.

لقد اكتشفنا 64  حدثاً من هذا النوع

هـ ⁺+ e ⁻→ هـ ^±+ μ ^∓+ جسيمان غير مكتشفين على الأقل

والتي ليس لدينا تفسير تقليدي لها.

وقد تجلى وجود جسيمين غير مكتشفين على الأقل في عدم القدرة على الحفاظ على الطاقة والزخم باستخدام جسيم واحد فقط. ومع ذلك، لم يتم رصد أي جسيمات أخرى من نوع الميونات أو الإلكترونات أو الفوتونات أو الهادرونات. وقد طُرحت فرضية أن هذا الحدث كان إنتاج زوج جديد من الجسيمات ثم تحلله.

هـ ⁺+ e ⁻→ τ ⁺+ τ ⁻→ هـ ^±+ μ ^∓+ 4 ν

كان من الصعب التحقق من ذلك، لأن الطاقة اللازمة لإنتاج زوج τ ⁺ τ ⁻ تُشابه عتبة إنتاج ميزون D. وقد تم تحديد كتلة ودوران جسيم تاو لاحقًا من خلال العمل الذي أُجري في مركز أبحاث الإلكترونات المتزامنة (DESY) في هامبورغ باستخدام مطياف الذراع المزدوج (DASP)، وفي مركز ستانفورد لتحليل الجسيمات المتسارعة (SLAC) باستخدام عداد الإلكترونات المباشر SPEAR (DELCO).

تم اشتقاق الرمز τ من الكلمة اليونانية τρίτον ( تريتون ، والتي تعني "الثالث" باللغة الإنجليزية)، لأنه كان ثالث ليبتون مشحون تم اكتشافه. ^{[ 11 ]}

تقاسم مارتن لويس بيرل جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1995 مع فريدريك راينز . وقد مُنح الأخير حصته من الجائزة لاكتشافه التجريبي لنيوترينو الإلكترون .

التاو هو الليبتون الوحيد الذي يمتلك كتلة كافية للتحلل إلى هادرونات . ومثل أنماط التحلل الليبتوني للتاو، يحدث التحلل الهادروني من خلال التفاعل الضعيف . ^{[ 12 ] [ أ ]}

نسب التفرع لتحللات تاو الهادرونية السائدة هي: ^{[ 5 ]}

• 25.49% للتحلل إلى بيون مشحون ، وبيون متعادل، ونيوترينو تاو؛
• 10.82% للتحلل إلى بيون مشحون ونيوترينو تاو؛
• 9.26% للتحلل إلى بيون مشحون، واثنين من البيونات المحايدة، ونيوترينو تاو؛
• 8.99% للتحلل إلى ثلاثة بيونات مشحونة (اثنان منها لهما نفس الشحنة الكهربائية) ونيوترينو تاو؛
• 2.74% للتحلل إلى ثلاثة بيونات مشحونة (اثنان منها لهما نفس الشحنة الكهربائية)، وبيون متعادل، ونيوترينو تاو؛
• 1.04% للتحلل إلى ثلاثة بيونات متعادلة، وبيون مشحون، ونيوترينو تاو.

إجمالاً، سيتحلل ليبتون تاو بشكل هادروني بنسبة 64.79% تقريبًا من الوقت.

نسب التفرع لتحللات تاو الليبتونية النقية الشائعة هي: ^{[ 5 ]}

• 17.82% للتحلل إلى نيوترينو تاو، وإلكترون، ومضاد نيوترينو إلكتروني؛
• 17.39% للتحلل إلى نيوترينو تاو، وميون، ونيوترينو ميون مضاد.

إن تشابه قيم الكسور المتفرعة هو نتيجة لشمولية الليبتون .

من المتوقع أن يشكل ليبتون تاو ذرات غريبة مثل الجسيمات دون الذرية المشحونة الأخرى. تتكون حالة الأونيوم من تاو ومضاد تاو: τ ⁺τ ⁻[ 13 ]​​^​​​

تشمل الاحتمالات الأخرى للذرات الليبتونية التي تتضمن تاو τ ⁻هـ ⁺و τ ⁻μ ⁺(وكذلك أزواج المادة المضادة المقابلة). جميع الذرات الغريبة التي تحتوي على تاو أو مضاد تاو لا تزال غير مرصودة حتى عام 2022. ^{[ 14 ]} سيكون اكتشافها تجريبياً اختباراً مثيراً للاهتمام للديناميكا الكهربائية الكمومية . ^{[ 15 ]}

• النكهة (فيزياء الجسيمات)
• التوليد (فيزياء الجسيمات)
• صيغة كويدي
• ليبتون

• جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1995. nobelprize.org
• "سجل بيرل الذي يُظهر اكتشاف تاو" . symmetrymag.org . نوفمبر 2004.
• "قصة ثلاث أوراق بحثية" (ملف PDF) . slac.stanford.edu .— يعرض أغلفة الأوراق الأصلية الثلاث التي أعلنت عن الاكتشاف.