Wetenschap
Eerste observatie van fotonen-naar-taus bij proton-protonbotsingen
In maart 2024 kondigde de CMS-samenwerking de waarneming aan van twee fotonen die twee tau-leptonen creëren bij proton-protonbotsingen. Het is de eerste keer dat dit proces wordt waargenomen bij proton-protonbotsingen, wat mogelijk werd gemaakt door gebruik te maken van de nauwkeurige trackingmogelijkheden van de CMS-detector. Het is ook de meest nauwkeurige meting van het abnormale magnetische moment van de tau en biedt een nieuwe manier om het bestaan van nieuwe natuurkunde te beperken.
De tau, ook wel tauon genoemd, is een bijzonder deeltje in de familie van leptonen. Over het algemeen vormen leptonen, samen met quarks, de ‘materie’-inhoud van het Standaardmodel (SM). De tau werd pas eind jaren zeventig ontdekt bij SLAC, en het bijbehorende neutrino – het tau-neutrino – voltooide het deel van de tastbare materie toen het in 2000 werd ontdekt door de DONUT-samenwerking bij Fermilab.
Nauwkeurig onderzoek naar de tau is echter nogal lastig, omdat de levensduur ervan erg kort is:hij blijft slechts stabiel gedurende 290·10 -15 s (honderdviermiljardste van een seconde).
De twee andere geladen leptonen, het elektron en het muon, zijn redelijk goed bestudeerd. Er is ook veel bekend over hun magnetische momenten en de bijbehorende afwijkende magnetische momenten. De eerste kan worden begrepen als de sterkte en oriëntatie van een denkbeeldige staafmagneet in een deeltje.
Deze meetbare grootheid heeft echter correcties op kwantumniveau nodig die voortkomen uit virtuele deeltjes die aan het magnetische moment trekken, waardoor dit afwijkt van de voorspelde waarde. De kwantumcorrectie, ook wel afwijkend magnetisch moment genoemd, ligt in de orde van 0,1%. Als de theoretische en experimentele resultaten het niet eens zijn, dan is dit afwijkende magnetische moment eenl , opent deuren naar de natuurkunde voorbij de SM.
Het afwijkende magnetische moment van het elektron is een van de meest nauwkeurig bekende grootheden in de deeltjesfysica en komt perfect overeen met de SM. Zijn muonische tegenhanger is daarentegen een van de meest onderzochte, waarnaar nog steeds onderzoek wordt gedaan. Hoewel theorie en experimenten het tot nu toe grotendeels eens zijn, geven recente resultaten aanleiding tot een spanning die verder onderzoek vereist.
Voor de tau gaat de race echter nog steeds door. Het is vooral moeilijk om het afwijkende magnetische moment, aτ, te meten , vanwege de korte levensduur van de tau. De eerste pogingen om aτ te meten na de ontdekking van de tau kwamen met een onzekerheid die 30 keer groter was dan de omvang van de kwantumcorrecties. Experimentele inspanningen op CERN met de LEP- en LHC-detectoren verbeterden de beperkingen, waardoor de onzekerheden twintig keer zo groot waren als de kwantumcorrecties.
Bij botsingen zoeken onderzoekers naar een speciaal proces:twee fotonen die op elkaar inwerken en twee tau-leptonen produceren, ook wel een di-tau-paar genoemd, die vervolgens vervallen in muonen, elektronen of geladen pionen en neutrino's. Tot nu toe hebben zowel ATLAS als CMS dit waargenomen bij ultraperifere lood-loodbotsingen. Nu rapporteert CMS over de eerste observatie van hetzelfde proces tijdens proton-protonbotsingen. Deze botsingen bieden een hogere gevoeligheid voor natuurkunde dan de SM, omdat nieuwe natuurkundige effecten toenemen met de botsingsenergie.
Met de uitstekende trackingmogelijkheden van de CMS-detector kon de samenwerking dit specifieke proces van anderen isoleren door gebeurtenissen te selecteren waarbij de taus werden geproduceerd zonder enig ander spoor binnen afstanden zo klein als 1 mm. "Deze opmerkelijke prestatie bij het detecteren van ultraperifere proton-protonbotsingen vormt de weg voor veel baanbrekende metingen van dit soort met het CMS-experiment", zegt Michael Pitt van het CMS-analyseteam.
Deze nieuwe methode biedt een nieuwe manier om het afwijkende magnetische tau-moment te beperken, dat de CMS-samenwerking onmiddellijk heeft uitgeprobeerd. Hoewel de betekenis zal worden verbeterd met toekomstige gegevens, legt hun nieuwe meting de strengste beperkingen tot nu toe op, met een hogere nauwkeurigheid dan ooit tevoren. Het reduceert de onzekerheid van de voorspellingen tot slechts drie keer de omvang van de kwantumcorrecties.
"Het is echt opwindend dat we eindelijk enkele basiseigenschappen van het ongrijpbare tau lepton kunnen verfijnen", zegt Izaak Neutelings van het CMS-analyseteam. "Deze analyse introduceert een nieuwe benadering om tau g-2 te onderzoeken en revitaliseert metingen die al meer dan twintig jaar stagneren", voegde Xuelong Qin, een ander lid van het analyseteam, eraan toe.
Een interactieve 3D-versie van de evenementenweergave met alle tracks is hier te zien.