Χρησιμοποιώντας τις εξαιρετικές δυνατότητες ιχνηλάτησης του ανιχνευτή CMS, η συνεργασία παρατήρησε την παραγωγή δύο ταυονίων από δύο φωτόνια σε συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου. Αυτή η μέθοδος παρέχει ένα νέο εργαλείο για την αναζήτηση νέας φυσικής στα στοιχειώδη σωματίδια.
Τον Μάρτιο του 2024, η συνεργασία CMS ανακοίνωσε την παρατήρηση της δημιουργίας δύο ταυονίων από δύο φωτόνια σε συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου. Είναι η πρώτη φορά που παρατηρείται αυτή η διαδικασία σε συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου, χάρη στις ακριβείς δυνατότητες ιχνηλάτησης του ανιχνευτή CMS. Είναι επίσης η πιο ακριβής μέτρηση της ανώμαλης μαγνητικής ροπής του ταυονίου και προσφέρει έναν νέο τρόπο περιορισμού της ύπαρξης νέας φυσικής.

Δείτε την διαδραστική απεικόνιση 3D με όλες τις τροχιές εδώ.
Το ταυόνιο, που ονομάζεται επίσης tauon, είναι ένα ιδιαίτερο σωματίδιο στην οικογένεια των λεπτονίων. Γενικά, τα λεπτόνια, μαζί με τα κουάρκ, αποτελούν το περιεχόμενο “ύλης” του Καθιερωμένου Πρότυπου (ΣΜ). Το ταυόνιο ανακαλύφθηκε μόλις στα τέλη της δεκαετίας του 1980 στο SLAC και το αντίστοιχο νετρίνο του – το νετρίνο tau – ολοκλήρωσε το απτό υλικό κομμάτι με την ανακάλυψη του το 2000 από τη συνεργασία DONUT στο Fermilab. Η ακριβής έρευνα για το ταυόνιο είναι όμως αρκετά δύσκολη, καθώς ο χρόνος ζωής του είναι πολύ μικρός: παραμένει σταθερό για μόλις 290·10-15 s (εκατό τετρασεκατομμύρια του δευτερολέπτου).
Τα άλλα δύο φορτισμένα λεπτόνια, το ηλεκτρόνιο και το μιόνιο, είναι αρκετά καλά μελετημένα. Άλλα πολλά είναι επίσης γνωστά για τις μαγνητικές τους ροπές και τις αντίστοιχες ανώμαλες μαγνητικές τους ροπές. Η πρώτη μπορεί να γίνει κατανοητή ως η ισχύς και ο προσανατολισμός ενός φανταστικού ράβδου μαγνήτη μέσα σε ένα σωματίδιο. Αυτό το μετρήσιμο μέγεθος, ωστόσο, χρειάζεται διορθώσεις σε επίπεδο κβαντικής θεωρίας που προκύπτουν από εικονικά σωματίδια που τραβούν τη μαγνητική ροπή, αποκλίνοντάς την από την προβλεπόμενη τιμή. Η κβαντική διόρθωση, που αναφέρεται ως ανώμαλη μαγνητική ροπή, είναι της τάξης του 0,1%. Εάν τα θεωρητικά και τα πειραματικά αποτελέσματα διαφωνούν, τότε αυτή η ανώμαλη μαγνητική ροπή, al, ανοίγει πόρτες στη φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Η ανώμαλη μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου είναι μία από τις πιο ακριβώς γνωστές ποσότητες στην σωματιδιακή φυσική και συμφωνεί απολύτως με το Καθιερωμένο Πρότυπο. Το αντίστοιχο της του μιονίου, από την άλλη πλευρά, είναι ένα από τα πιο μελετημένα, στο οποίο η έρευνα βρίσκεται σε εξέλιξη. Παρόλο που η θεωρία και τα πειράματα συμφωνούν ως επί το πλείστον μέχρι τώρα, πρόσφατα αποτελέσματα δημιουργούν μια ένταση που απαιτεί περαιτέρω διερεύνηση.
Για το ταυόνιο, ωστόσο, ο αγώνας συνεχίζεται. Είναι ιδιαίτερα δύσκολο να μετρηθεί η ανώμαλη μαγνητική ροπή του, aτ λόγω του πολύ μικρού χρόνου ζωής του ταυονίου. Οι πρώτες προσπάθειες μέτρησης του aτ μετά την ανακάλυψη του ταυονίου συνοδεύτηκαν από μια ασάφεια που ήταν 30 φορές μεγαλύτερη από το μέγεθος των κβαντικών διορθώσεων. Οι πειραματικές προσπάθειες στο CERN με τους ανιχνευτές LEP και LHC βελτίωσαν τους περιορισμούς, μειώνοντας τις ασάφειες σε 20 φορές το μέγεθος των κβαντικών διορθώσεων.
Σε συγκρούσεις, οι ερευνητές αναζητούν μια ειδική διαδικασία: δύο φωτόνια που αλληλεπιδρούν για να παράγουν δύο ταυόνια λεπτόνια, επίσης γνωστά ως ζεύγος di-tau, τα οποία στη συνέχεια διασπώνται σε μιόνια, ηλεκτρόνια ή φορτισμένα πιόνια και νετρίνα. Μέχρι στιγμής, τόσο ο ATLAS όσο και ο CMS έχουν παρατηρήσει αυτό το φαινόμενο σε εξαιρετικά περιφερειακές συγκρούσεις μολύβδου-μολύβδου. Τώρα, το CMS αναφέρει την πρώτη παρατήρηση της ίδιας διαδικασίας κατά τις συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου. Αυτές οι συγκρούσεις προσφέρουν μεγαλύτερη ευαισθησία στη φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, καθώς τα αποτελέσματα της νέας φυσικής αυξάνονται με την ενέργεια της σύγκρουσης. Με τις εξαιρετικές δυνατότητες ιχνηλάτησης του ανιχνευτή CMS, η συνεργασία κατάφερε να απομονώσει αυτή τη συγκεκριμένη διαδικασία από άλλες, επιλέγοντας συμβάντα όπου τα ταυόνια παράγονται χωρίς κανένα άλλο ίχνος σε αποστάσεις τόσο μικρές όσο 1 mm. «Αυτό το αξιοσημείωτο επίτευγμα της ανίχνευσης εξαιρετικά περιφερειακών συγκρούσεων πρωτονίου-πρωτονίου θέτει τις βάσεις για πολλές πρωτοποριακές μετρήσεις αυτού του είδους με το πείραμα CMS», δήλωσε ο Michael Pitt, από την ομάδα ανάλυσης του CMS.
Αυτή η νέα μέθοδος προσφέρει έναν νέο τρόπο περιορισμού της ανώμαλης μαγνητικής ροπής του ταυονίου, την οποία η συνεργασία CMS δοκίμασε αμέσως. Ενώ η σημαντικότητα θα βελτιωθεί με μελλοντικά δεδομένα λειτουργίας, η νέα τους μέτρηση θέτει τους πιο αυστηρούς περιορισμούς μέχρι στιγμής, με μεγαλύτερη ακρίβεια από ποτέ άλλοτε. Μειώνει την ασάφεια από τις προβλέψεις σε μόλις τρεις φορές το μέγεθος των κβαντικών διορθώσεων. «Είναι πραγματικά συναρπαστικό που μπορούμε επιτέλους να περιορίσουμε ορισμένες από τις βασικές ιδιότητες του απατηλού ταυονίου», δήλωσε ο Izaak Neutelings, από την ομάδα ανάλυσης του CMS. «Αυτή η ανάλυση εισάγει μια νέα προσέγγιση για τη διερεύνηση του tau g-2 και αναζωογονεί τις μετρήσεις που έχουν παραμείνει στάσιμες για περισσότερες από δύο δεκαετίες», πρόσθεσε ο Xuelong Qin, άλλο μέλος της ομάδας ανάλυσης.
Σχετικά με το CERN:
Το CERN, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Πυρηνικής Έρευνας, είναι ένα από τα κορυφαία εργαστήρια στον κόσμο για τη σωματιδιακή φυσική. Ο Οργανισμός βρίσκεται στα γαλλοελβετικά σύνορα, με έδρα τη Γενεύη. Τα κράτη μέλη του είναι: Αυστρία, Βέλγιο, Βουλγαρία, Τσεχία, Δανία, Φινλανδία, Γαλλία, Γερμανία, Ελλάδα, Ουγγαρία, Ισραήλ, Ιταλία, Ολλανδία, Νορβηγία, Πολωνία, Πορτογαλία, Ρουμανία, Σερβία, Σλοβακία, Ισπανία, Σουηδία, Ελβετία και το Ηνωμένο Βασίλειο. Η Κύπρος, η Εσθονία και η Σλοβενία είναι συνδεδεμένα κράτη μέλη στο προ στάδιο της ένταξης. Η Κροατία, η Ινδία, η Λετονία, η Λιθουανία, το Πακιστάν, η Τουρκία και η Ουκρανία είναι συνδεδεμένα κράτη μέλη. Η Ιαπωνία και οι Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής έχουν επί του παρόντος καθεστώς Παρατηρητή, όπως και η Ευρωπαϊκή Ένωση και η UNESCO. Το καθεστώς παρατηρητή της Ρωσικής Ομοσπονδίας και του JINR αναστέλλεται σύμφωνα με τα ψηφίσματα του Συμβουλίου του CERN της 8ης Μαρτίου 2022 και της 25ης Μαρτίου 2022, αντίστοιχα.