质子碰撞中光子与τ子的首次观察

2024 年 3 月，CMS 合作宣布观察到两个光子在质子-质子碰撞中产生两个 tau 轻子。这是首次在质子-质子碰撞中观察到这一过程，这是通过使用 CMS 探测器的精确跟踪能力实现的。它也是对 tau 蛋白反常磁矩最精确的测量，并提供了一种限制新物理学存在的新方法。

tau 蛋白，有时也称为 tauon，是轻子家族中的一种特殊粒子。一般来说，轻子与夸克一起构成了标准模型(SM)的“物质”内容。 SLAC 于 20 世纪 70 年代末才发现了 tau 粒子，其相关中微子(tau 中微子)在 2000 年由费米实验室的 DONUT 合作团队发现后，完成了有形物质部分。

然而，对 tau 蛋白的精确研究相当棘手，因为它的寿命非常短：它仅保持稳定 290·10 -15秒(百千万亿分之一秒)。

另外两种带电轻子，即电子和μ子，已经得到了很好的研究。关于它们的磁矩和相关的反常磁矩也有很多了解。前者可以理解为粒子内部假想的条形磁铁的强度和方向。

然而，这个可测量的量需要在量子水平上进行修正，这是由于虚拟粒子在磁矩上的牵引导致的，从而偏离了预测值。量子校正，称为反常磁矩，约为 0.1%。如果理论和实验结果不一致，那么这种反常磁矩 a l将为超越 SM 的物理学打开大门。

电子的反常磁矩是粒子物理学中已知最精确的物理量之一，并且与 SM 完全一致。另一方面，它的μ子对应物是研究最多的子之一，研究正在进行中。尽管到目前为止理论和实验基本一致，但最近的结果引起了需要进一步研究的紧张局势。

然而，对于钛族人来说，比赛仍在继续。由于 tau 的寿命很短，测量它的反常磁矩τ尤其困难。发现 tau 后，第一次尝试测量 aτ 的不确定性比量子修正的大小高出 30 倍。 CERN 使用 LEP 和 LHC 探测器进行的实验改进了约束条件，将不确定性降低到量子校正大小的 20 倍。

在碰撞中，研究人员寻找一种特殊的过程：两个光子相互作用产生两个 tau 轻子，也称为 di-tau 对，然后衰变成 μ 子、电子或带电 π 介子和中微子。到目前为止，ATLAS 和 CMS 都在超外围铅-铅碰撞中观察到了这一点。现在，CMS 报告了在质子-质子碰撞过程中首次观察到的相同过程。这些碰撞为 SM 之外的物理提供了更高的灵敏度，因为新的物理效应随着碰撞能量的增加而增加。

凭借 CMS 探测器出色的跟踪功能，合作伙伴能够通过选择在小至 1 毫米的距离内没有任何其他跟踪的情况下产生 tau 的事件，将该特定过程与其他过程隔离开来。 CMS 分析团队的迈克尔·皮特 (Michael Pitt) 表示：“检测超外围质子-质子碰撞的这一非凡成就为 CMS 实验的许多此类突破性测量奠定了基础。”

这种新方法提供了一种约束tau反常磁矩的新方法，CMS合作立即进行了尝试。虽然未来的运行数据的重要性将得到提高，但他们的新测量设置了迄今为止最严格的限制，并且比以往任何时候都具有更高的精度。它将预测的不确定性降低到量子校正大小的三倍。

CMS 分析团队的 Izaak Neutelings 表示：“我们最终能够缩小难以捉摸的 tau 轻子的一些基本特性，这确实令人兴奋。” “这项分析引入了一种探测 tau g-2 的新方法，并重振了二十多年来停滞不前的测量，”分析团队的另一位成员秦雪龙补充道。

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