В марте 2024 года коллаборация CMS объявила о наблюдении двух фотонов, создающих два тау-лептона в результате протон-протонных столкновений. Впервые этот процесс наблюдался при протон-протонных столкновениях, что стало возможным благодаря использованию возможностей точного отслеживания детектора CMS. Это также наиболее точное измерение аномального магнитного момента тау и предлагает новый способ ограничить существование новой физики.
Тау, иногда называемый тауоном, представляет собой своеобразную частицу семейства лептонов. В общем, лептоны вместе с кварками составляют «материйное» содержание Стандартной модели (СМ). Тау был открыт только в конце 1970-х годов в SLAC, а связанное с ним нейтрино — тау-нейтрино — завершило часть материальной материи после его открытия в 2000 году коллаборацией DONUT в Фермилабе.
Однако точное исследование тау довольно сложно, так как его время жизни очень короткое: оно остается стабильным всего 290·10 -15 с (стоквадриллионная доля секунды).
Два других заряженных лептона — электрон и мюон — достаточно хорошо изучены. Многое также известно об их магнитных моментах и связанных с ними аномальных магнитных моментах. Первое можно понимать как силу и ориентацию воображаемого стержневого магнита внутри частицы.
Однако эта измеримая величина нуждается в поправках на квантовом уровне, возникающих из-за того, что виртуальные частицы тянут магнитный момент, отклоняя его от предсказанного значения. Квантовая поправка, называемая аномальным магнитным моментом , составляет порядка 0,1%. Если теоретические и экспериментальные результаты расходятся, то этот аномальный магнитный момент a l открывает двери физике за пределами СМ.
Аномальный магнитный момент электрона является одной из наиболее точно известных величин в физике элементарных частиц и прекрасно согласуется с СМ. С другой стороны, его мюонный аналог является одним из наиболее изученных, исследования которого продолжаются. Хотя теория и эксперименты пока в основном совпадают, недавние результаты порождают противоречие, требующее дальнейшего изучения.
Однако для тау гонка все еще продолжается. Особенно трудно измерить его аномальный магнитный момент a τ из-за короткого времени жизни тау. Первые попытки измерить aτ после открытия тау имели неопределенность, в 30 раз превышающую размер квантовых поправок. Экспериментальные усилия в ЦЕРН с детекторами LEP и LHC улучшили ограничения, уменьшив неопределенности до 20-кратного размера квантовых поправок.
При столкновениях исследователи ищут особый процесс: два фотона взаимодействуют с образованием двух тау-лептонов, также называемых ди-тау-парой, которые затем распадаются на мюоны, электроны или заряженные пионы и нейтрино. До сих пор и ATLAS, и CMS наблюдали это в ультрапериферийных столкновениях свинца со свинцом. Теперь CMS сообщает о первом наблюдении того же процесса во время протон-протонных столкновений. Эти столкновения обеспечивают более высокую чувствительность к физике за пределами СМ, поскольку новые физические эффекты увеличиваются с увеличением энергии столкновения.
Благодаря выдающимся возможностям отслеживания детектора CMS коллаборация смогла изолировать этот конкретный процесс от других, выбрав события, в которых тау возникают без каких-либо других следов на расстояниях всего 1 мм. «Это замечательное достижение по обнаружению ультрапериферийных протон- протонных столкновений создает основу для многих новаторских измерений такого рода с помощью эксперимента CMS», — сказал Майкл Питт из аналитической группы CMS.
Этот новый метод предлагает новый способ ограничения аномального магнитного момента тау, который сразу же опробовала коллаборация CMS. Хотя значимость будет улучшена с появлением данных будущих запусков, их новое измерение накладывает самые жесткие ограничения на данный момент и имеет более высокую точность, чем когда-либо прежде. Это уменьшает неопределенность предсказаний всего лишь в три раза по сравнению с размером квантовых поправок.
«Это действительно здорово, что мы наконец можем сузить некоторые основные свойства неуловимого тау-лептона», — сказал Изаак Нойтелингс из аналитической группы CMS. «Этот анализ представляет новый подход к исследованию тау g-2 и оживляет измерения, которые оставались неизменными более двух десятилетий», — добавил Сюэлун Цинь, еще один член аналитической группы.
