Tau (partícula)

La partícula tau, también llamada a veces tauón, es una partícula elemental masiva que pertenece a la tercera generación de leptones. Tiene una vida media muy corta, de unos 3,3·10⁻¹³ segundos, y una masa de unos 1777 MeV/c², casi el doble que la del protón y 3498 veces la del electrón.^[2]​

El tau fue detectado por primera vez en unos experimentos dirigidos por Martin Lewis Perl entre 1974 y 1977. Se descubrió gracias a un nuevo colisionador de electrones y positrones, el Anillo Acelerador de Positrones y Electrones de Stanford (Stanford Positron and Electron Accelerator Ring o SPEAR), construido en SLAC en 1972; y un nuevo detector magnético, el MARK-I, desarrollado en colaboración con el Laboratorio de Lawrence-Berkeley. Con este instrumento, pudieron detectarse ciertas anomalías en la desintegración de las partículas generadas en las colisiones; observaron el siguiente evento:

${displaystyle e^{+}+e^{-} ightarrow e^{pm }+mu ^{mp }+{mbox{particulas no detectadas}}}$

Al hacer el balance de energía entre los estados inicial y final, se observó que la energía final era menor. En ninguna ocasión los muones, hadrones o fotones sumaban la energía necesaria para igualarse a la del estado inicial. Entonces se propuso que con la energía que hacían colisionar al electrón y al positrón se creaba un par de nuevas partículas muy masivas, que pronto decaían en las demás partículas observadas. El evento sería:

${displaystyle e^{+}+e^{-} ightarrow au ^{+}+ au ^{-} ightarrow e^{pm }+mu ^{mp }+{ u _{e}}^{(si;e^{+})}+{overline { u _{mu }}}^{(si;mu ^{-})}+{overline { u _{ au }}}+ u _{ au }}$

Esta propuesta fue difícil de verificar porque la energía necesaria para producir el par tau-antitau era parecida a la requerida para crear un par de mesones. Posteriores experimentos en DESY y en SLAC confirmaron la existencia de la partícula, y proporcionaron valores más precisos para la masa y spin de la misma. ^[3]​ Martin Lewis Perl ganó el premio Nobel de física en 1995 por su descubrimiento, junto a Frederik Reines (que descubriría el tau-neutrino).

El tau pertenece a la tercera generación de leptones, junto al muon que pertenece a la segunda y al electrón de la primera. Como todos los leptones, parece ser una partícula elemental, no constituida por partículas más pequeñas. Si está formado por partículas más pequeñas, éstas deben de estar por debajo de la escala de los 10⁻¹⁸ metros, ya que los aceleradores de partículas de hasta el 2006 solo pueden 'observar' hasta esa escala.

El tau es un fermión, con un spin igual a la mitad de la constante reducida de Planck; y como los demás leptones, cumple la simetría CPT con su antipartícula.

El tau es el único leptón que tiene la masa necesaria como para desintegrarse la mayoría de las veces en hadrones. Un 18% de las veces el tau decae en un electrón y dos neutrinos, y otro 18% en un muon y dos neutrinos. El restante 64 % de las ocasiones decae en forma de hadrones y un neutrino.

Todas las desintegraciones son debidas a la interacción débil (incluso las hadrónicas), y todas conservan el número tauónico. Por tanto, todas las desintegraciones anteriores incluyen un neutrino tauónico, aunque debido a la propia naturaleza de los mismos son muy difíciles de detectar, dada su escasa interacción con la materia.

Se ha predicho que el tauón forme átomos exóticos al igual que otras partículas subatómicas cargadas. Uno de dichos átomos, llamado tauonio por analogía al muonio, está compuesto por un antitauón y un electrón: τ+
e−
.

Otro tipo de átomo exótico es un átomo ónico τ+
τ−
llamado verdadero tauonio y es difícil de detectar. Su detección es importante para la electrodinámica cuántica.^[4]​