La scoperta del leptone τ
SLAC-LBL (agosto 1975)
“Perhaps the greatest
impediment to the acceptance of
the tau as the third charged
lepton was that there was no
other evidence for a third
particle generation.”
Martin L. Perl
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Giorgio Castelnuovo
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PRIMA EVIDENZA
Il 18 agosto 1975 fu dato alle stampe l’articolo “Evidence for Anomalous Lepton
Production in e+ e- Annihilation” di M. L. Pearl et al.
“We have found events of the form
,
in which no other charged particle or photon are detected. Most of these
events are detected at or above a center-of-mass energy of 4 GeV. The
missing energy and the missing momentum spectra require that at least
two additional particles be produced in each event. We have no
conventional explanation for these events.”
Questi eventi segnalavano o un nuovo tipo di reazione o una nuova
particella con massa intorno a circa 2 GeV.
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IPOTESI
– produzione di una coppia di un nuovo tipo di leptone pesante l+ l- che
successivamente decadeva in e+ e- o μ+ μ-:
– produzione di una coppia di bosoni (o mesoni) carichi, con charm, che
decadevano debolmente:
Ma facciamo un passo indietro…
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LOCATION
Stanford Linear Accelerator
Center – Lawrence Berkeley
Laboratory (SLAC-LBL)
Allo Stanford Positron Electron
Accelerating Ring (SPEAR):
 energia nel centro di massa:
2.5-7.5 GeV
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IL RIVELATORE “MARK I”
Il primo rivelatore (1973) con solenoide e
grande angolo solido  copertura totale
2.6π sr:
‐ da 50° a 130° per l’angolo polare θ;
‐ 2π per l’angolo azimutale φ.
Struttura del rivelatore:
– Trigger counters (scintillatori) per
misurare i tempi di volo per separare
π/K e per dare il trigger alle camere a
scintillazione (riuscendo a ridurre di un
fattore 1000 gli eventi dovuti a μ
cosmici);
– Proportional chambers;
– Spark chambers cilindriche per il
tracciamento;
– Solenoide di raggio 1.65m e lungo
3.6m; campo magnetico: 0.4T;
– Calorimetri elettromagnetici (piombo
e scintillatore plastico) per identificare
e+, e- e γ.
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IL RIVELATORE “MARK I”
Un’altra visuale:
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IL RIVELATORE “MARK I”
Alla fine del 1974 fu
aggiunta la parte superiore
dedicata ai muoni (muon
tower):
– camere a scintillazione;
– cemento per fermare le
altre particelle più
interagenti con massa
simile al muone
(spessore totale pari a
1.67 lunghezze di
assorbimento per i π).
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IDENTIFICAZIONE DELLE PARTICELLE
• Condizioni per gli elettroni:
‐ impulso nel calorimetro maggiore di quello dovuto a un e di 0.5 GeV.
Imponendo solo questa condizione i segnali avevano anche queste caratteristiche:
‐ tipica distribuzione dell’impulso rilasciato nel calorimetro attesa per elettroni;
‐ segnale assente nelle muon chambers;
‐ compatibilità tra la posizione dell’e misurata dai fotomoltiplicatori connessi al
calorimetro e la traccia stimata.
Evitavano di considerare e± combinazioni di eventi μ+γ o π+γ (a meno di eventi
di fondo)
• Condizioni per i muoni:
‐ segnale nelle camere esterne per i muoni;
‐ poca energia rilasciata nei calorimetri.
• Tutte le altre particelle cariche rivelate erano classificate come adroni.
• I fotoni venivano rivelati dai calorimetri (con efficienza circa 95%).
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SELEZIONE DEGLI EVENTI
Consideriamo le misure prese a 4.8 GeV
Metodo usato per cercare eventi
corrispondenti alla reazione:
2
1
 Avevano 25300 eventi con 2 particelle
cariche nello stato finale
 Definivano un angolo di coplanarità:
θ
e consideravano solo gli eventi con θcopl >20°
per ridurre il fondo dalle reazioni
ed
 Rimanevano così 2493 eventi
 Per migliorare l’identificazione di e e μ
consideravano solo particelle con impulso >
0.65 GeV
 Rimanevano 513 eventi
Eventi candidati per la reazione
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ANALISI
Gli eventi e-μ possono venire dalla reazione
d’urto troppo piccola. Ciò è provato dall’assenza di eventi e-μ con carica 2.
, ma ha sezione
 Il fondo di questo canale è dovuto solo a errori di identificazione delle particelle
Per calcolare le probabilità di misidentificazione degli adroni hanno considerato che tutti gli
eventi con tre particelle cariche classificate come leptoni fossero errori di classificazione.
Le probabilità di chiamare e/μ un h, che dipendono dall’impulso della particella, in media
sono:
Phe = 0.183 ± 0.007
Phμ = 0.198 ± 0.007
Per calcolare le probabilità di misidentificazione di e/μ hanno usato gli eventi collineari di e-e
e μ-μ:
Peh = 0.056 ± 0.02
Peμ = 0.011 ± 0.01
Pμh = 0.08 ± 0.02
Pμe < 0.01
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ANALISI
Con le probabilità date e considerando tutti gli eventi e-h e μ-h come eventi h-h
misidentificati o causati da un adrone decaduto, calcoliamo la contaminazione del canale e-μ
della 1a colonna da parte degli altri canali:
e-e in cui eμ:
= 1 ± 1 ev
μ-μ in cui μe:
< 0.3 ev
h-h in cui he e hμ:
= 3.7 ± 0.6 ev
Questo dà quindi 4.7 ± 1.2 eventi di fondo previsti. La probabilità di avere quindi 24 eventi
causati dal fondo è molto bassa (oltre 16 sigma!).
La stessa analisi è stata effettuata anche sulle altre due colonne della tabella precedente:
Colonna 2:
5.6 ± 1.5 ev
Colonna 3:
8.6 ± 2.0 ev
Da cui vediamo che in questo caso le previsioni si accordano con le previsioni entro due e
una sigma rispettivamente.
I 24 eventi non sono spiegabili da una fluttuazione del fondo!
Ma cosa causa questo eccesso di eventi?
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ANALISI
Per cercare di rispondere indaghiamo la cinematica dei due leptoni carichi prodotti
dal decadimento della coppia della nuova particella prodotta
e+
X+
e+
e-
Xμ-
Un angolo significativo per studiare la cinematica è
pe
θcoll  80°
pμ
θcoll
 non ci sono eventi ad alti θcoll: e e
μ sono escono in prevalenza in
direzione opposta.
 l’avvallamento a piccoli angoli è
dovuto al taglio su θcopl
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ANALISI
 Questo suggerisce un
decadimento a tre corpi della nuova
particella prodotta.
Da uno scatter plot tra il quadrato della massa
invariante del sistema e-μ e il quadrato della
massa mancante che rincula contro il sistema
e-μ osserviamo che le particelle che sfuggono
dal rivelatore devono essere almeno due.
Altrimenti si avrebbe una distribuzione
dall’andamento verticale, dato il vincolo della
massa dell’ipotetica particella sfuggente.
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ANALISI
Consideriamo ora i dati raccolti a energie del centro di massa tra 3.8 GeV e 7.8
GeV.
Si contano 86 eventi del tipo e-μ con le
caratteristiche viste in precedenza con
un fondo stimato di 22 ± 5 eventi
Dalla figura si deduce che la massa
della particella prodotta è tra 1.6 e 2.0
GeV (massa del D0  1.86 GeV)
Ma le misure sono ancora imprecise
per poter conoscere con esattezza la
natura della nuova particella prodotta.
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CONCLUSIONE
Da tutto ciò:
Non avevano quindi ancora abbastanza elementi per stabilire cosa fosse
esattamente il nuovo processo. Ma la scoperta era avvenuta!
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PASSI SUCCESSIVI
Nell’aprile 1978 l’esperimento DELCO (Direct Electron Counter) a SPEAR misura con
precisione la soglia di produzione di questo anomalo eccesso di eventi.
La soglia misurata è a
,
che è sotto la già nota soglia di
produzione di mesoni con charm
(3726±1.8 MeV).
Inoltre l’andamento della sezione
d’urto vicino alla soglia è quello tipico
di una particella a spin ½
È quindi accertato che la nuova
particella sia il leptone pesante
chiamato τ, avente
di
massa (valore attuale: 1776.84 ±
0.17 MeV).
Questi risultati furono confermati dai risultati ottenuti a DESY allo storage ring DORIS da
altre collaborazioni.
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