Evento candidato recriado de um processo γγ →ττ em colisões próton-próton medidas pelo detector CMS. O tau pode decair em múon (vermelho), píons carregados (amarelo) e neutrinos (não visíveis); depósitos de energia no calorímetro eletromagnético em verde e no calorímetro hadrônico em ciano. Crédito:colaboração CMS. Em março de 2024, a colaboração CMS anunciou a observação de dois fótons criando dois léptons tau em colisões próton-próton. É a primeira vez que este processo é observado em colisões próton-próton, o que foi possível graças ao uso dos recursos precisos de rastreamento do detector CMS. É também a medição mais precisa do momento magnético anômalo do tau e oferece uma nova maneira de restringir a existência de uma nova física.
O tau, às vezes chamado de tauon, é uma partícula peculiar da família dos léptons. Em geral, os léptons, juntamente com os quarks, constituem o conteúdo de “matéria” do Modelo Padrão (SM). O tau só foi descoberto no final da década de 1970 no SLAC, e seu neutrino associado – o neutrino do tau – completou a parte da matéria tangível após sua descoberta em 2000 pela colaboração DONUT no Fermilab.
A pesquisa precisa para o tau é bastante complicada, pois seu tempo de vida é muito curto:ele permanece estável por apenas 290·10
-15
s (um centésimo quatrilionésimo de segundo).
Os outros dois léptons carregados, o elétron e o múon, são bastante bem estudados. Muito também se sabe sobre seus momentos magnéticos e seus momentos magnéticos anômalos associados. O primeiro pode ser entendido como a força e a orientação de uma barra magnética imaginária dentro de uma partícula.
Esta quantidade mensurável, no entanto, necessita de correções no nível quântico decorrentes de partículas virtuais puxando o momento magnético, desviando-o do valor previsto. A correção quântica, denominada momento magnético anômalo, é da ordem de 0,1%. Se os resultados teóricos e experimentais discordarem, então este momento magnético anômalo, também , abre portas para a física além do SM.
O momento magnético anômalo do elétron é uma das quantidades conhecidas com mais precisão na física de partículas e concorda perfeitamente com o SM. Sua contraparte muônica, por outro lado, é uma das mais investigadas, e está em andamento. Embora a teoria e os experimentos tenham concordado em sua maioria até agora, os resultados recentes dão origem a uma tensão que requer uma investigação mais aprofundada.
Para o tau, porém, a corrida ainda continua. É especialmente difícil medir seu momento magnético anômalo, aτ , devido à curta vida útil do tau. As primeiras tentativas de medir aτ após a descoberta do tau vieram com uma incerteza 30 vezes maior que o tamanho das correções quânticas. Os esforços experimentais no CERN com os detectores LEP e LHC melhoraram as restrições, reduzindo as incertezas para 20 vezes o tamanho das correções quânticas.
Nas colisões, os pesquisadores procuram um processo especial:dois fótons interagindo para produzir dois léptons tau, também chamados de par di-tau, que então decaem em múons, elétrons ou píons carregados e neutrinos. Até agora, tanto o ATLAS quanto o CMS observaram isso em colisões ultraperiféricas entre chumbo e chumbo. Agora, o CMS relata a primeira observação do mesmo processo durante colisões próton-próton. Estas colisões oferecem uma maior sensibilidade à física além do SM, à medida que novos efeitos físicos aumentam com a energia da colisão.
Com as excelentes capacidades de rastreamento do detector CMS, a colaboração foi capaz de isolar este processo específico de outros, selecionando eventos onde os taus são produzidos sem qualquer outro rastreamento em distâncias tão pequenas quanto 1 mm. "Esta conquista notável de detecção de colisões próton-próton ultraperiféricas prepara o terreno para muitas medições inovadoras deste tipo com o experimento CMS", disse Michael Pitt, da equipe de análise do CMS.
Este novo método oferece uma nova maneira de restringir o momento magnético anômalo do tau, que a colaboração CMS testou imediatamente. Embora a importância seja melhorada com dados de execução futura, a sua nova medição impõe as restrições mais rigorosas até agora, com maior precisão do que nunca. Reduz a incerteza das previsões para apenas três vezes o tamanho das correções quânticas.
“É realmente emocionante podermos finalmente restringir algumas das propriedades básicas do indescritível tau lepton”, disse Izaak Neutelings, da equipe de análise do CMS. “Esta análise introduz uma nova abordagem para sondar o tau g-2 e revitaliza medições que permaneceram estagnadas por mais de duas décadas”, acrescentou Xuelong Qin, outro membro da equipe de análise.
Uma versão interativa em 3D da exibição do evento com todas as trilhas pode ser vista aqui.
