Nel marzo 2024, la collaborazione CMS ha annunciato l'osservazione di due fotoni che creano due leptoni tau nelle collisioni protone-protone. È la prima volta che questo processo viene osservato nelle collisioni protone-protone, reso possibile utilizzando le precise capacità di tracciamento del rilevatore CMS. È anche la misurazione più precisa del momento magnetico anomalo del tau e offre un nuovo modo per limitare l'esistenza di una nuova fisica.
Il tau, talvolta chiamato tauon, è una particella peculiare della famiglia dei leptoni. In generale, i leptoni, insieme ai quark, costituiscono il contenuto "materia" del Modello Standard (SM). Il tau fu scoperto solo alla fine degli anni '70 allo SLAC, e il neutrino ad esso associato, il neutrino tau, completò la parte della materia tangibile con la sua scoperta nel 2000 da parte della collaborazione DONUT al Fermilab.
La ricerca precisa del tau è tuttavia piuttosto complicata, poiché la sua vita è molto breve:rimane stabile solo per 290·10 -15 s (un centoquadrilionesimo di secondo).
Gli altri due leptoni carichi, l'elettrone e il muone, sono piuttosto ben studiati. Si sa molto anche sui loro momenti magnetici e sui momenti magnetici anomali associati. Il primo può essere inteso come la forza e l'orientamento di una barra magnetica immaginaria all'interno di una particella.
Questa quantità misurabile, tuttavia, necessita di correzioni a livello quantistico derivanti dalle particelle virtuali che si muovono nel momento magnetico, deviandolo dal valore previsto. La correzione quantistica, denominata momento magnetico anomalo, è dell'ordine dello 0,1%. Se i risultati teorici e sperimentali non sono d'accordo, allora questo momento magnetico anomalo, al , apre le porte alla fisica oltre l'SM.
Il momento magnetico anomalo dell'elettrone è una delle quantità conosciute con maggiore precisione nella fisica delle particelle e concorda perfettamente con il MS. La sua controparte muonica, invece, è una di quelle più indagate, sulla quale sono in corso ricerche. Sebbene finora la teoria e gli esperimenti siano per lo più concordanti, i risultati recenti danno origine a una tensione che richiede ulteriori indagini.
Per il tau, invece, la corsa è ancora in corso. È particolarmente difficile misurare il suo momento magnetico anomalo, aτ , a causa della breve vita del tau. I primi tentativi di misurare aτ dopo la scoperta del tau arrivarono con un'incertezza 30 volte superiore all'entità delle correzioni quantistiche. Gli sforzi sperimentali al CERN con i rilevatori LEP e LHC hanno migliorato i vincoli, riducendo le incertezze a 20 volte la dimensione delle correzioni quantistiche.
Nelle collisioni, i ricercatori cercano un processo speciale:due fotoni che interagiscono per produrre due leptoni tau, chiamati anche coppie di-tau, che poi decadono in muoni, elettroni o pioni carichi e neutrini. Finora sia ATLAS che CMS hanno osservato questo fenomeno nelle collisioni piombo-piombo ultraperiferiche. Ora, CMS riporta la prima osservazione dello stesso processo durante le collisioni protone-protone. Queste collisioni offrono una maggiore sensibilità alla fisica oltre l'SM poiché i nuovi effetti fisici aumentano con l'energia di collisione.
Grazie alle eccezionali capacità di tracciamento del rilevatore CMS, la collaborazione è stata in grado di isolare questo processo specifico dagli altri, selezionando eventi in cui i tau vengono prodotti senza altre tracce entro distanze fino a 1 mm. "Questo straordinario risultato di rilevamento di collisioni protone-protone ultraperiferiche pone le basi per molte misurazioni rivoluzionarie di questo tipo con l'esperimento CMS", ha affermato Michael Pitt, del team di analisi CMS.
Questo nuovo metodo offre un nuovo modo per limitare il momento magnetico anomalo del tau, che la collaborazione CMS ha provato immediatamente. Anche se la significatività migliorerà con i dati delle analisi future, la loro nuova misurazione pone finora i vincoli più severi, con una precisione più elevata che mai. Riduce l'incertezza delle previsioni fino a solo tre volte la dimensione delle correzioni quantistiche.
"È davvero entusiasmante poter finalmente restringere il campo di alcune delle proprietà di base dell'inafferrabile leptone tau", ha affermato Izaak Neutelings, del team di analisi del CMS. "Questa analisi introduce un nuovo approccio per sondare tau g-2 e rivitalizza misurazioni che sono rimaste stagnanti per più di due decenni", ha aggiunto Xuelong Qin, un altro membro del team di analisi.
Una versione interattiva 3D della visualizzazione dell'evento con tutte le tracce può essere vista qui.
Fornito dal CERN
