Tauon

Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox Částice Tauon (také označovaný jako tau lepton, částice tau nebo tauonový lepton) je elementární částice podobná elektronu, s negativním elektrickým nábojem a spinem ½. Společně s elektronem, mionem a třemi neutriny patří do skupiny leptonů. Stejně jako ostatní leptony je považován za fundamentální částici, což znamená, že se neskládá z žádných menších částic.

Tauon je částicí třetí generace leptonů. Má svou vlastní antičástici, antitauon (τ⁺), který se od něj liší pouze opačným znaménkem elektrického náboje a dalších kvantových čísel.

Klíčovou vlastností tauonu je jeho vysoká hmotnost. S hmotností přibližně 1777 MeV/c² je téměř 3 500krát hmotnější než elektron a asi 17krát hmotnější než mion. Kvůli této vysoké hmotnosti je tauon extrémně nestabilní a má velmi krátkou střední dobu života, pouhých 2,9 × 10⁻¹³ sekundy. Tato krátká životnost je důvodem, proč se tauony běžně nevyskytují v přírodě a lze je pozorovat pouze v experimentech s vysokými energiemi, například na urychlovačích částic.

📜 Historie objevu

Objev tauonu je spojen s experimenty prováděnými v letech 1974 až 1977 týmem fyziků pod vedením Martina Lewise Perla v SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) v Kalifornii. Experimenty probíhaly na elektron-pozitronovém urychlovači SPEAR (Stanford Positron-Electron Asymmetric Ring).

Tým analyzoval srážky elektronů a pozitronů při vysokých energiích a hledal anomálie, které by nemohly být vysvětleny tehdy známými částicemi. Zaznamenali události, při kterých po srážce vznikl elektron a mion s opačnými náboji, přičemž část energie chyběla. Tato "chybějící" energie byla odnesena nepozorovanými částicemi, kterými se později ukázala být neutrina.

Perl a jeho kolegové interpretovali tyto události jako produkci a následný rozpad páru nových, těžkých leptonů:

e⁺ + e⁻ → τ⁺ + τ⁻

kde se následně jeden tauon rozpadl na elektron a neutrina a druhý na mion a neutrina:

τ⁻ → e⁻ + ν̅ₑ + νₐ τ⁺ → μ⁺ + νₑ + ν̅ₐ

Tato hypotéza byla potvrzena dalšími experimenty, včetně pozorování na německém urychlovači DESY. Za objev tauonu a tím i třetí generace leptonů obdržel Martin Lewis Perl v roce 1995 Nobelovu cenu za fyziku. Objev tauonu byl klíčový, protože narušil tehdejší představu o symetrii mezi kvarky a leptony (byly známy pouze dvě generace leptonů, ale již se předpokládala existence třetí generace kvarků).

🔬 Vlastnosti

Tauon je v mnoha ohledech "těžším bratrancem" elektronu a mionu. Sdílí s nimi základní vlastnosti, jako je náboj a spin, ale jeho vysoká hmotnost mu propůjčuje unikátní charakteristiky, zejména co se týče jeho rozpadu.

⚛️ Základní charakteristiky

• Hmotnost: 1776,86 ± 0,12 MeV/c². Pro srovnání, hmotnost mionu je přibližně 105,7 MeV/c² a hmotnost elektronu pouhých 0,511 MeV/c².
• Elektrický náboj: −1 e, tedy přibližně −1,602 × 10⁻¹⁹ coulombu.
• Spin: ½, což znamená, že se jedná o fermion a podléhá Pauliho vylučovacímu principu.
• Leptonové číslo: Tauon má tauonové leptonové číslo Lₐ = +1. Jeho antičástice, antitauon, má Lₐ = -1. Toto kvantové číslo se v interakcích Standardního modelu zachovává.

⏳ Rozpad

Extrémně krátká střední doba života (2,9 × 10⁻¹³ s) je nejdůležitější vlastností tauonu. Na rozdíl od lehčích leptonů je tauon dostatečně hmotný na to, aby se mohl rozpadat nejen na jiné leptony, ale také na hadrony (částice složené z kvarků). Rozpady tauonu probíhají prostřednictvím slabé interakce.

Existují dva hlavní typy rozpadů:

Leptonické rozpady

Při leptonických rozpadech se tauon rozpadá na lehčí lepton (elektron nebo mion), doprovázený příslušnými neutriny. Tyto rozpady tvoří přibližně 35,2 % všech rozpadů tauonu.

• Rozpad na elektron: τ⁻ → e⁻ + ν̅ₑ + νₐ (cca 17,82 % případů)
• Rozpad na mion: τ⁻ → μ⁻ + ν̅ₘ + νₐ (cca 17,39 % případů)

V těchto procesech je vždy emitováno tauonové neutrino (νₐ) a antineutrino odpovídající vzniklému leptonu.

Hadronické rozpady

Hadronické rozpady tvoří většinu (cca 64,8 %) všech rozpadů. Tauon je jediný lepton, který se může rozpadat na hadrony, protože jeho hmotnost je vyšší než hmotnost nejlehčích hadronů, jako jsou piony. Při těchto rozpadech vzniká tauonové neutrino a jeden nebo více hadronů.

• Nejčastější hadronický rozpad: τ⁻ → π⁻ + π⁰ + νₐ (cca 25,5 % případů)
• Další příklady:

   *   τ⁻ → π⁻ + νₐ (cca 10,8 % případů)
   *   τ⁻ → π⁻ + 2π⁰ + νₐ (cca 9,3 % případů)
   *   τ⁻ → π⁻ + π⁺ + π⁻ + νₐ (cca 9,0 % případů)

Studium hadronických rozpadů tauonu poskytuje cenné informace o slabé interakci a struktuře kvarků.

🌌 Výskyt a produkce

Vzhledem ke své extrémní nestabilitě se tauony v běžné hmotě nevyskytují. Jsou produkovány pouze v procesech s velmi vysokou energií.

• Urychlovače částic: Hlavním zdrojem tauonů jsou srážky částic v urychlovačích. Nejčastěji vznikají v párech (τ⁺τ⁻) při anihilaci elektronů a pozitronů (e⁺e⁻), jako tomu bylo při jejich objevu. Jsou také produkovány při rozpadech těžších částic, například Z bosonu nebo těžkých mezonů obsahujících kvarky b a c.
• Kosmické záření: Tauony mohou vznikat při interakci vysokoenergetického kosmického záření s atmosférou Země, ale jejich detekce je kvůli krátké životnosti a nízké produkci velmi obtížná.
• Astrofyzikální zdroje: Předpokládá se, že tauonová neutrina (νₐ) mohou vznikat v extrémních astrofyzikálních objektech, jako jsou aktivní galaktická jádra nebo pozůstatky po supernovách. Jejich detekce na Zemi, například v experimentu IceCube, je jedním z cílů moderní astročásticové fyziky.

💡 Význam ve fyzice

Tauon hraje klíčovou roli v Standardním modelu elementárních částic.

• Třetí generace: Jeho objev potvrdil existenci třetí generace leptonů, což vytvořilo symetrii se třemi generacemi kvarků a upevnilo strukturu Standardního modelu.
• Testování leptonové univerzality: Standardní model předpokládá, že elektromagnetická a slabá interakce působí na elektron, mion a tauon stejně (tzv. leptonová univerzalita), liší se pouze vlivem jejich hmotnosti. Přesná měření rozpadů tauonu slouží jako citlivý test této hypotézy. Jakékoli odchylky by mohly signalizovat existenci "nové fyziky".
• Studium slabé interakce a QCD: Hadronické rozpady tauonu jsou unikátní laboratoří pro studium slabé interakce a kvantové chromodynamiky (QCD), teorie popisující silnou interakci mezi kvarky.
• Hledání nové fyziky: Fyzikové také hledají vzácné nebo zakázané rozpady tauonu (např. τ⁻ → μ⁻ + γ), které by byly jasným důkazem fyziky za hranicemi Standardního modelu.

🤔 Pro laiky: Co je to tauon?

Představte si, že základní stavební kameny hmoty, ze kterých se neskládá atomové jádro (tzv. leptony), přicházejí ve třech velikostech: malý, střední a velký.

• Elektron je ten "malý". Je velmi lehký a stabilní – je to částice, která obíhá kolem jádra v atomech a umožňuje existenci elektřiny.
• Mion je "střední bratr". Je asi 200krát těžší než elektron. Kvůli své vyšší hmotnosti je nestabilní a během zlomku sekundy se rozpadne na elektron a další neviditelné částice.
• Tauon je pak ten "velký a těžký bratr". Je téměř 3 500krát těžší než elektron. Je tak masivní a nestabilní, že existuje jen naprosto nepatrný zlomek sekundy (asi jako doba, za kterou světlo urazí desetinu milimetru), než se okamžitě rozpadne na lehčí částice.

Tauon je tedy v podstatě super-těžká a extrémně krátce žijící verze elektronu. Protože se tak rychle rozpadá, v běžném světě ho nenajdeme. Můžeme ho vytvořit pouze na okamžik tím, že do sebe narazíme jiné částice obrovskou rychlostí v urychlovačích. Pro fyziky je ale nesmírně důležitý, protože jim pomáhá pochopit, jak fungují základní zákony vesmíru.

Šablona:Aktualizováno