En marzo de 2024, la colaboración CMS anunció la observación de dos fotones que crean dos leptones tau en colisiones protón-protón. Es la primera vez que se observa este proceso en colisiones protón-protón, lo que fue posible gracias al uso de las capacidades de seguimiento precisas del detector CMS. También es la medición más precisa del momento magnético anómalo de tau y ofrece una nueva forma de limitar la existencia de nueva física.
El tau, a veces llamado tauon, es una partícula peculiar de la familia de los leptones. En general, los leptones, junto con los quarks, constituyen el contenido de "materia" del Modelo Estándar (SM). La tau no se descubrió hasta finales de la década de 1970 en SLAC, y su neutrino asociado, el neutrino tau, completó la parte de materia tangible tras su descubrimiento en 2000 mediante la colaboración DONUT en Fermilab.
Sin embargo, la investigación precisa del tau es bastante complicada, ya que su vida útil es muy corta:permanece estable durante sólo 290·10 -15 s (una centésima billonésima de segundo).
Los otros dos leptones cargados, el electrón y el muón, están bastante bien estudiados. También se sabe mucho sobre sus momentos magnéticos y sus momentos magnéticos anómalos asociados. El primero puede entenderse como la fuerza y orientación de una barra magnética imaginaria dentro de una partícula.
Esta cantidad mensurable, sin embargo, necesita correcciones a nivel cuántico que surgen de partículas virtuales que tiran del momento magnético, desviándolo del valor previsto. La corrección cuántica, denominada momento magnético anómalo, es del orden del 0,1%. Si los resultados teóricos y experimentales no están de acuerdo, entonces este momento magnético anómalo, todol , abre puertas a la física más allá de la SM.
El momento magnético anómalo del electrón es una de las cantidades conocidas con mayor precisión en la física de partículas y concuerda perfectamente con el SM. Su homólogo muónico, en cambio, es uno de los más investigados y sobre el que se están realizando investigaciones. Aunque la teoría y los experimentos han coincidido en su mayoría hasta ahora, los resultados recientes dan lugar a una tensión que requiere más investigación.
Para los tau, sin embargo, la carrera aún continúa. Es especialmente difícil medir su momento magnético anómalo, unτ , debido a la corta vida útil del tau. Los primeros intentos de medir aτ después del descubrimiento de tau llegaron con una incertidumbre 30 veces mayor que el tamaño de las correcciones cuánticas. Los esfuerzos experimentales en el CERN con los detectores LEP y LHC mejoraron las limitaciones, reduciendo las incertidumbres a 20 veces el tamaño de las correcciones cuánticas.
En las colisiones, los investigadores buscan un proceso especial:dos fotones que interactúan para producir dos leptones tau, también llamados par di-tau, que luego se descomponen en muones, electrones o piones cargados y neutrinos. Hasta ahora, tanto ATLAS como CMS han observado esto en colisiones ultraperiféricas entre plomo y plomo. Ahora, CMS informa sobre la primera observación del mismo proceso durante las colisiones protón-protón. Estas colisiones ofrecen una mayor sensibilidad a la física más allá del SM, ya que los nuevos efectos físicos aumentan con la energía de la colisión.
Con las excelentes capacidades de seguimiento del detector CMS, la colaboración pudo aislar este proceso específico de otros, seleccionando eventos en los que las taus se producen sin ningún otro seguimiento en distancias tan pequeñas como 1 mm. "Este notable logro de detectar colisiones ultraperiféricas entre protones sienta las bases para muchas mediciones innovadoras de este tipo con el experimento CMS", afirmó Michael Pitt, del equipo de análisis de CMS.
Este nuevo método ofrece una nueva forma de limitar el momento magnético anómalo tau, que la colaboración CMS probó de inmediato. Si bien la importancia mejorará con los datos de ejecución futuras, su nueva medición impone las limitaciones más estrictas hasta el momento, con mayor precisión que nunca. Reduce la incertidumbre de las predicciones a sólo tres veces el tamaño de las correcciones cuánticas.
"Es realmente emocionante que finalmente podamos reducir algunas de las propiedades básicas del esquivo leptón tau", dijo Izaak Neutelings, del equipo de análisis del CMS. "Este análisis introduce un enfoque novedoso para sondear tau g-2 y revitaliza mediciones que han permanecido estancadas durante más de dos décadas", añadió Xuelong Qin, otro miembro del equipo de análisis.
Aquí se puede ver una versión interactiva en 3D de la visualización del evento con todas las pistas.
Proporcionado por CERN
