Em um resultado histórico, a colaboração do CMS relata a primeira observação da produção de pares de tau lepton by way of fusão de fótons em colisões de prótons, abrindo novos caminhos para estudar essas partículas indescritíveis em altas energias
Os leptons tau são partículas fundamentais na família Lepton, semelhantes a elétrons e muons, mas com propriedades únicas que os tornam particularmente desafiadores para estudar. Como outros leptons, eles têm um giro meio inteiro, mas são significativamente mais pesados e têm uma vida útil extremamente curta, deteriorando-se rapidamente em outras partículas. Essas características limitam as oportunidades para observação direta e análise detalhada.
O modelo padrão de física de partículas descreve as partículas e forças fundamentais, juntamente com a estrutura matemática que governa suas interações. De acordo com a eletrodinâmica quântica (QED), um componente do modelo padrão, os prótons em ambientes de alta energia podem emitir fótons (γ), que podem se fundir para criar um par de leptons (ττ⁻): γ → ττττ
Usando equações QED, os cientistas calcularam anteriormente a probabilidade desse processo, como os leptons da tau seriam produzidos e com que frequência ele deve ocorrer em energias específicas. Enquanto os Muons foram extensivamente estudados em colisões de prótons, os leptons Tau permaneceram mais ilusórios devido à sua curta vida útil.
Em um grande avanço, os pesquisadores do CERN usaram dados do detector CMS no Giant Hadron Collider (LHC) para fazer a primeira medição da produção de pares de tau lepton by way of fusão de fótons em colisões de prótons. Anteriormente, esse fenômeno havia sido observado apenas em colisões de íons de chumbo (PBPB) pelas colaborações do ATLAS e do CMS. Nesses casos, os fótons foram gerados pelos fortes campos eletromagnéticos dos núcleos pesados, dentro de um ambiente altamente complexo, cheio de muitas partículas e ruído de fundo. Por outro lado, as colisões de prótons-proton são muito mais limpas, mas também muito mais raras, tornando a detecção da produção de tau induzida por fóton um desafio técnico maior.
Notavelmente, a equipe conseguiu distinguir colisões de fótons do QED das colisões de QCD (Quantum Chromodinâmica) pela falta do evento subjacente. Eles demonstraram que as partículas de tau estavam sendo produzidas sem outras faixas próximas (caminhos deixados por partículas) usando a excelente resolução de vértices de seu detector de pixels. Para verificar a técnica, os pesquisadores fizeram estudos cuidadosos dos mesmos processos na produção de pares de muon e desenvolveram correções para se aplicar aos processos Tau Lepton.
Demonstrar a produção de pares de tau em colisões de próton-proton não apenas confirma previsões teóricas, mas também abre uma nova avenida para estudar os leptons de tau em ambientes de alta energia. Esse avanço aprimora nossa compreensão das interações Lepton e fornece uma ferramenta valiosa para testar o modelo padrão com maior precisão.
