タウ（粒子）

タウ（τ）は、タウレプトン、タウ粒子、またはタウオンとも呼ばれ、電子に似た素粒子で、負の電荷を持ち、スピンは1/2です。電子、ミューオン、および 3 つのニュートリノと同様に、タウはレプトンであり、半整数スピンを持つすべての素粒子と同様に、タウには反対の電荷を持ち、質量とスピンが等しい反粒子が存在します。タウの場合、これは「反タウ」（正のタウとも呼ばれる）です。タウ粒子は記号τ ⁻で表され、反タウはτ ⁺で表されます。

タウレプトンは生涯にわたって2.9 × 10 ⁻¹³ 秒、質量は1 776 .9  MeV / c ² (比較すると ミューオンの場合は105.66 MeV / c ^2、（電子の場合は0.511  MeV / c ²）。タウ粒子の相互作用は電子の相互作用と非常によく似ているため、タウ粒子は電子のより重いバージョンと考えることができます。質量が大きいため、タウ粒子は電子ほど制動放射（ブレーキング放射）を放出しません。したがって、タウ粒子は電子よりもはるかに高い透過力を持つ可能性があります。

タウ粒子は寿命が短いため、その飛程は主に減衰長によって決まりますが、減衰長は制動放射が顕著に現れるほど長くはありません。その透過力は、超高速かつ高エネルギー（ペタ電子ボルト以上のエネルギー）の場合にのみ現れ、その場合、時間の遅れによって本来非常に短い経路長が延長されます。^{[ 6 ]}

他の荷電レプトンの場合と同様に、タウ粒子にはタウニュートリノ_が関連付けられており、 ντで表される。 

タウ粒子の探索は、1960 年にアントニーノ・ジキチ率いるボローニャ・CERN・フラスカーティ (BCF) グループによってCERNで開始されました。ジキチは、現在タウと呼ばれる新しい連続重レプトンのアイデアを思いつき、探索方法を考案しました。彼は、加速器が稼働を開始した 1969 年にADONE施設で実験を行いましたが、彼が使用した加速器はタウ粒子を探索するのに十分なエネルギーを持っていませんでした。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

タウ粒子は、1971年に蔡永蘇氏によって独立して予見されていた。^{[ 10 ]}この発見の理論を提供したタウ粒子は、1974年から1977年にかけて、スタンフォード線形加速器センター（SLAC）とローレンス・バークレー国立研究所（LBL）のグループで、マーティン・ルイス・パール氏と蔡氏の同僚らによって一連の実験で検出された。 ^{[ 1 ]}彼らの装置は、当時SLACの新しい電子・陽電子衝突リングであるSPEARとLBLの磁気検出器で構成されていた。彼らはレプトン、ハドロン、光子を検出して区別することができた。彼らはタウ粒子を直接検出したのではなく、異常な事象を発見した。

「我々は、 次のような形式のイベントを64件発見しました。

e ⁺+ e ⁻→ e ^±+ μ ^∓+ 少なくとも2つの未検出粒子

それに対して、我々には従来の説明がつかない。」

少なくとも2つの未検出粒子が必要であることは、1つの粒子だけではエネルギーと運動量を保存できないことから示された。しかし、他のミューオン、電子、光子、ハドロンは検出されなかった。この事象は、新たな粒子対の生成とその後の崩壊であると提唱された。

e ⁺+ e ⁻→ τ ⁺+ τ ⁻→ e ^±+ μ ^∓+ 4 ν

τ ⁺ τ ⁻ペアを生成するエネルギーはD 中間子の生成閾値と似ているため、これを検証するのは困難でした。その後、 DESY - ハンブルクのダブルアームスペクトロメーター (DASP) と SLAC - スタンフォードのSPEAR直接電子カウンター (DELCO)で行われた研究により、タウの質量とスピンが確立されました。

記号τはギリシャ語のτρίτον（英語で「3番目」を意味するtriton ）に由来しており、これは発見された3番目の荷電レプトンであったためである。^{[ 11 ]}

マーティン・ルイス・パールは、1995年のノーベル物理学賞をフレデリック・ライネスと共同受賞した。ライネスは、電子ニュートリノの実験的発見により、同賞を受賞した。

タウ粒子は、ハドロンに崩壊するのに十分な質量を持つ唯一のレプトンです。タウ粒子のレプトン崩壊モードと同様に、ハドロン崩壊も弱い相互作用によって起こります。^{[ 12 ] [ a ]}

主要なハドロンタウ崩壊の分岐比は次のとおりです。 ^{[ 5 ]}

• 荷電パイ中間子、中性パイ中間子、およびタウニュートリノへの崩壊率は25.49%。
• 荷電パイ中間子とタウニュートリノへの崩壊率は10.82%。
• 荷電パイ中間子、2つの中性パイ中間子、およびタウニュートリノへの崩壊確率は9.26%。
• 3つの荷電パイ中間子（うち2つは同じ電荷を持つ）とタウニュートリノへの崩壊率は8.99%。
• 3つの荷電パイ中間子（うち2つは同じ電荷を持つ）、中性パイ中間子、およびタウニュートリノへの崩壊率は2.74%。
• 中性パイ中間子3個、荷電パイ中間子1個、タウニュートリノ1個への崩壊率は1.04%である。

全体として、タウレプトンは全体の約64.79%の確率でハドロン崩壊を起こす。

一般的な純粋なレプトン崩壊の分岐比は次のとおりです。 ^{[ 5 ]}

• タウニュートリノ、電子、および電子反ニュートリノへの崩壊率は17.82%。
• タウニュートリノ、ミューオン、およびミューオン反ニュートリノへの崩壊率は17.39%です。

2つの分岐比の値が類似しているのは、レプトンの普遍性によるものである。

タウレプトンは、他の荷電素粒子と同様に、エキゾチック原子を形成すると予測されている。オニウム状態は、タウと反タウから構成される：τ ⁺τ ⁻タウオニウムまたはジタウオニウムと呼ばれる。^{[ 13 ]}

タウを含むレプトン原子の他の可能性としては、τ ⁻e ⁺τ ⁻​μ ⁺（対応する反物質ペアリングも同様）。タウまたは反タウを含むすべてのエキゾチック原子は、2022年現在、未だに観測されていない。^{[ 14 ]}その実験的検出は、量子電磁力学 の興味深い検証となるだろう。^{[ 15 ]}

• フレーバー（素粒子物理学）
• 生成（素粒子物理学）
• 小出の公式
• レプトン

• 「1995年ノーベル物理学賞」。nobelprize.org 。
• 「Perlのログブックによるタウ発見」 . symmetrymag.org . 2004年11月。
• 「3つの論文の物語」（PDF） . slac.stanford.edu .―発見を発表した3つの原著論文の表紙を掲載している。