I mars 2024 tillkännagav CMS-samarbetet observationen av två fotoner som skapar två tau-leptoner i proton-protonkollisioner. Det är första gången som denna process har setts i proton-protonkollisioner, vilket möjliggjordes genom att använda CMS-detektorns exakta spårningsförmåga. Det är också den mest exakta mätningen av taus anomala magnetiska moment och erbjuder ett nytt sätt att begränsa existensen av ny fysik.
Tau, ibland kallad tauon, är en speciell partikel i familjen leptoner. Generellt sett utgör leptoner, tillsammans med kvarkar, "materia"-innehållet i standardmodellen (SM). Tauen upptäcktes först i slutet av 1970-talet vid SLAC, och dess associerade neutrino – tau-neutrinon – fullbordade den påtagliga materien efter upptäckten 2000 av DONUT-samarbetet på Fermilab.
Exakt forskning för tau är dock ganska knepig, eftersom dess livslängd är mycket kort:den förblir stabil i endast 290·10 -15 s (hundra kvadrilliondels sekund).
De två andra laddade leptonerna, elektronen och myonen, är ganska väl studerade. Mycket är också känt om deras magnetiska moment och deras tillhörande avvikande magnetiska moment. Den förra kan förstås som styrkan och orienteringen av en imaginär stångmagnet inuti en partikel.
Denna mätbara kvantitet behöver dock korrigeringar på kvantnivån som härrör från virtuella partiklar som drar i det magnetiska ögonblicket och avviker från det förutsagda värdet. Kvantkorrigeringen, hänvisad till som anomalt magnetiskt moment, är i storleksordningen 0,1 %. Om de teoretiska och experimentella resultaten inte överensstämmer, då detta onormala magnetiska moment, al , öppnar dörrar till fysik bortom SM.
Det avvikande magnetiska momentet för elektronen är en av de mest exakt kända storheterna inom partikelfysik och stämmer perfekt överens med SM. Dess muoniska motsvarighet är å andra sidan en av de mest undersökta, som forskning pågår om. Även om teorier och experiment hittills mestadels har kommit överens, ger de senaste resultaten upphov till en spänning som kräver ytterligare utredning.
För tauen pågår dock loppet fortfarande. Det är särskilt svårt att mäta dess anomala magnetiska moment, aτ , på grund av taus korta livslängd. De första försöken att mäta aτ efter taus upptäckt kom med en osäkerhet som var 30 gånger högre än storleken på kvantkorrigeringarna. Experimentella ansträngningar vid CERN med LEP- och LHC-detektorerna förbättrade begränsningarna, vilket minskade osäkerheterna till 20 gånger storleken på kvantkorrigeringarna.
Vid kollisioner letar forskare efter en speciell process:två fotoner som interagerar för att producera två tau-leptoner, även kallade ett di-tau-par, som sedan sönderfaller till myoner, elektroner eller laddade pioner och neutriner. Hittills har både ATLAS och CMS observerat detta i ultraperifera bly-bly-kollisioner. Nu rapporterar CMS om den första observationen av samma process under proton-protonkollisioner. Dessa kollisioner erbjuder en högre känslighet för fysik utöver SM eftersom nya fysikeffekter ökar med kollisionsenergin.
Med de enastående spårningsmöjligheterna hos CMS-detektorn kunde samarbetet isolera denna specifika process från andra genom att välja händelser där taus produceras utan något annat spår inom avstånd så små som 1 mm. "Denna anmärkningsvärda prestation att upptäcka ultraperifera proton-protonkollisioner sätter scenen för många banbrytande mätningar av det här slaget med CMS-experimentet", säger Michael Pitt, från CMS-analysteamet.
Denna nya metod erbjuder ett nytt sätt att begränsa tau avvikande magnetiska ögonblick, som CMS-samarbetet testade omedelbart. Även om betydelsen kommer att förbättras med framtida kördata, sätter deras nya mätning de snävare begränsningarna hittills, med högre precision än någonsin tidigare. Det minskar osäkerheten från förutsägelserna ner till endast tre gånger storleken på kvantkorrigeringarna.
"Det är verkligen spännande att vi äntligen kan begränsa några av de grundläggande egenskaperna hos den svårfångade tau leptonen", säger Izaak Neutelings, från CMS-analysteamet. "Denna analys introducerar ett nytt tillvägagångssätt för probe tau g-2 och återupplivar mätningar som har legat stilla i mer än två decennier", tillade Xuelong Qin, en annan medlem av analysteamet.
En interaktiv 3D-version av händelsevisningen med alla spår kan ses här.
Tillhandahålls av CERN
