타우 입자

3. 붕괴

타우 입자는 렙톤 중 유일하게 강입자(하드론)로 붕괴할 수 있는데, 이는 다른 렙톤들에 비해 질량이 충분히 크기 때문이다. 붕괴는 약한 상호작용에 의해 일어나며, 평균 수명은 약 0.3피코초(ps)이다. 렙톤 수 보존 법칙에 따라, 타우 입자가 붕괴할 때는 항상 타우 중성미자가 생성된다.^[10]

3. 1. 붕괴 방식

주요 강입자 붕괴 방식은 다음과 같다.^[2]

전자와 뮤온으로 붕괴하는 비율이 비슷한 것은 렙톤 보편성 때문이다.^[2]

4. 발견

타우 입자는 1974년과 1977년 사이에 SLAC-LBL의 마틴 루이스 펄 연구진이 발견하였다.^[19] SLAC은 SPEAR이라는 전자 및 양전자 충돌 장비를 보유했으며, LBL은 자기 관측기를 보유하고 있었다. 이 기기들을 이용하여 렙톤, 하드론, 광자를 서로 구분하는 것이 가능했다. 연구진은 타우 입자를 직접 관측하지는 못하였지만 다음과 같은 이상한 과정을 관측하였다.

:$e^+\; +\; e^-\; \backslash rightarrow\; e^\{\backslash pm\}\; +\; \backslash mu^\{\backslash mp\}\; +$관측되지 않은 입자

처음의 에너지가 마지막까지 보존되지 않는다는 점에 미루어 관측되지 않은 입자가 있다는 것을 알 수 있었다. 하지만 뮤온이나 전자, 혹은 하드론이나 광자 등은 관측할 수 없었다. 후에 이러한 현상은 새로운 입자의 생성 및 붕괴를 중간 과정으로 거친다고 다음과 같이 제안되었다.

:$e^+\; +\; e^-\; \backslash rightarrow\; \backslash tau^+\; +\; \backslash tau^-\; \backslash rightarrow\; e^\{\backslash pm\}\; +\; \backslash mu^\{\backslash mp\}\; +\; 4\; \backslash nu$

이후 DESY-Hamburg와 DELCO에서의 연구가 타우 입자의 질량 및 스핀을 측정하였다.

1995년 마틴 루이스 펄과 프레더릭 라이너스는 각각 타우 입자와 타우 중성미자를 발견한 공로로 노벨 물리학상을 수상하였다.^[20]

타우 입자에 대한 탐색은 1960년 안토니노 지치치가 이끄는 볼로냐-CERN-프라스카티(BCF) 그룹에 의해 CERN에서 시작되었다. 지치치는 현재 타우라고 불리는 새로운 순차적 무거운 렙톤에 대한 아이디어를 떠올렸고, 탐색 방법을 고안했다. 그는 1969년 ADONE 시설의 가속기가 가동되자마자 실험을 수행했지만, 그가 사용한 가속기는 타우 입자를 탐색할 만큼 충분한 에너지를 갖추지 못했다.^[4][5][6]

타우는 1971년 융수 차이의 논문에서 독립적으로 예상되었다.^[7] 이 발견에 대한 이론을 제공하면서, 타우는 스탠포드 선형 가속기 센터(SLAC)와 로렌스 버클리 국립 연구소(LBL) 그룹에서 마틴 루이스 펄과 그의 동료 차이 사이에 1974년에서 1977년 사이에 일련의 실험을 통해 감지되었다.^[8] 1975년, 펄 그룹은 "전자-양전자 소멸 현상에서의 이상 렙톤 생성의 증거(Evidence for Anomalous Lepton Production in e+e- Annihilation)"라는 제목으로 스탠퍼드 선형 가속기 센터(SLAC)의 SPEAR 전자-양전자 충돌형 가속기를 사용한 실험에서 "전자(양전자), 반뮤온(μ 입자)과 2개 이상의 측정이 되지 않는 입자"의 생성 현상이 64건 보고되었다고 발표했다.

5. 성질

타우 입자는 전기소량과 같은 음의 전하와 1/2의 스핀을 가지며, 그 반입자인 반타우 입자는 전기소량과 같은 양의 전하와 1/2의 스핀을 갖는다.^[16] 정지 타우 입자의 질량은 1776.99MeV (양성자의 약 1.89배)이다.

6. 이국 원자

타우 입자는 다른 전하를 띤 소립자와 결합하여 이국적인 원자를 형성할 수 있다. 그 중 하나는 반타우 입자와 전자로 구성되는데, Tauonium|타우오늄^영어이라고 불린다.^[11]

또 다른 하나는 오늄 원자인 Ditauonium|디타우오늄^영어 또는 True tauonium|진타우오늄^영어이라고 불리며, 수명이 짧은 두 개의 (반대 부호) 타우 입자로 부터 형성하기가 어려워 감지하기가 어렵다.^[12] 실험적 검출은 양자 전기역학에 대한 흥미로운 시험이 될 것이다.

참조

_[1] 서적 Leptons and Quarks North-Holland Publishing
_[2] 간행물 Review of Particle Physics http://pdglive.lbl.g[...]
_[3] 간행물 Tau air showers from Earth
_[4] 서적 History of Original Ideas and Basic Discoveries in Particle Physics Springer
_[5] 서적 In search of the ultimate building blocks Cambridge University Press
_[6] 서적 The origin of the third family: in honour of A. Zichichi on the XXX anniversary of the proposal to search for the Third Lepton at Adone World Scientific 1998
_[7] 간행물 Decay correlations of heavy leptons in e⁺ + e⁻ → {{math|ℓ}}⁺ + {{math|ℓ}}⁻ 1971-11-01
_[8] 간행물 Evidence for anomalous lepton production in {{SubatomicParticle|Positron}}{{SubatomicParticle|Electron}} annihilation
_[9] conference Evidence for, and properties of, the new charged heavy lepton http://slac.stanford[...] 2021-03-25
_[10] 간행물 Non-standard interactions http://www.ncp.edu.p[...]
_[11] 간행물 Ditauonium spectroscopy
_[12] 간행물 Prospects for ditauonium discovery at colliders
_[13] 서적 Quarks and Leptons North-Holland Publishing
_[14] 간행물 Evidence for Anomalous Lepton Production in {{粒子の記号|p}}{{粒子の記号|e}} Annihilation http://prola.aps.org[...]
_[15] 간행물 Review of Particle Physics http://link.aps.org/[...]
_[16] conference Evidence for, and properties of, the new charged heavy lepton http://slac.stanford[...]
_[17] 저널 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2010 http://physics.nist.[...]
_[18] 저널 http://pdg8.lbl.gov/[...]
_[19] 저널
_[20] 웹인용 1995년 노벨 물리학상 http://nobelprize.or[...] 2006-01-05