Achim Stahl DESY Zeuthen

1. Physik mit Tau-Leptonen Achim Stahl DESY Zeuthen 10. Jan. 2003

2. Inhalt: • Kurzer Steckbrief des Tau-Leptons • Das Tau und sein Neutrino • Labor der starken Wechselwirkung • Verletzung der CP-Symmetrie

3. Steckbrief Geladenes Lepton der dritten Generation

4. Steckbrief: Masse Elektron: 0.511 MeV Myon: 105 MeV Tau: 1777 MeV Neutrinos: < 1 eV Quarks: 2 MeV …. 175000 MeV

5. Steckbrief: Lebensdauer τ= 290.6 10-15 sec cτ= 87.11 µm Myon: 2.2 10-6 sec π0 → γγ: 8.4 10-17 sec ρ → ππ: 4.4 10-24 sec

6. Steckbrief: Zerfälle υτ τ f W f’ τ→υτeυe τ→υτµυµ τ→υτud us

7. Steckbrief: Zerfälle ca. 100 bekannte Zerfälle

9. Steckbrief: Der Rest Punktförmig Spin: ½ ħ Ladung: e Mag. Mom. ≈ e / 2mτ g-2 ≈ 10-3 El. Mom. = 0 etc.

10. Produktion von τ-Leptonen τ e • e+e- Speicherringe e τ • Hadronzerfälle: z.B. Ds→ τυτ • Exotica: z.B. H → ττ, τ̃→χ0τ

11. Entdeckung 1973 / 74: Martin Perl e/µ Ereignisse τ→υτe υe e+e-→ τ+τ- τ→υτµ υµ Bestätigung: PLUTO an DORIS SPEAR am SLAC: e+e- @ 4 GeV

12. 2 GeV 0.5 GeV τ-→ e-υeυ? monoenergetisch Das Tau, Neutrinos, Leptonzahl τ→ e τ→ e υ Le: +1 -1 Lτ: +1 +1 τ→ e υ υ okay

13. τ-→ e-υeυ? tritt nicht auf τ-→ e-υeυe = 2 x τ- →µ-υµυe stimmt nicht Das Tau, Neutrinos, Leptonzahl Ortho-Lepton: Le(τ-) = Le(e-) τ-→ e- e- e+ Le: +1 +1 +1 -1 Para-Lepton: Le(τ-) = - Le(e-) Le: -1 +1 -1 -1 -1 -1

14. τ-→ e-υeυτ Das Tau, Neutrinos, Leptonzahl Ortho-Lepton: Le(τ-) = Le(e-) Para-Lepton: Le(τ-) = - Le(e-) Seq.-Lepton: Le(τ-) = 0 Le: +1 -1 Lτ: +1 +1 Existenz: υτ≠υµ ≠ υe

15. DONUT: Direct Observation of NU Tau τ Photo- emulsion υτ- Strahl Detektor 20. Juli 2000: Physicists Find First Direct Evidence for Tau Neutrino at FermiLab

16. υτ - Strahl

20. Tau-Neutrino: Masse τ→υτ5 π 5 mπ < E(5π) < Eτ - mυ 5 mπ < m(5π) < mτ - mυ Bestes Resultat: mυ < 18.2 MeV (95% c.l.)

21. Tau-Neutrino: Masse Exp. Problem: Korrekte Rekonstruktion der 5 Spuren τ→υτ5 π

22. Neutrino-Oszillationen Super-KAMIOKANDE Defizit υµan aus der Atmosphäre Wahrscheinlichste Erklärung: υµ → υτ Oszillationen |m12 - m22| ≈ 10-2eV

23. υ1 υ2 υ3 υe υµ υτ Mischungs- matrix = Flavour- eigenzustände Massen- eigenzustände Mischungsmatrix

24. υµυτ γ τ-→ µ-µ-µ+ υµ γ µ µ Tau: Neutrinolose Zerfälle τ- →µ- υτ τ µ Zerfall existiert! M(µµµ) = mτ, E(µµµ) = Eτ

25. υ1, υ2, υ3 υτ τ υµ µ γ ≈ 0 Unitarität der Mischungsmatrix “GIM” - Mechanismus A = Σ A(υτ→υi) A(υi→υµ)

26. Exoticas υτ τ υµ µ γ “GIM” - Mechanismus A = Σ A(υτ→υi) A(υi→υµ) ≠ 0 B(τ→µγ) ≈ 10-12 … 10-6 B(τ→µµµ) ≈ 10-13 … 10-7

27. BELLE: B(τ→µγ) Resultat B < 6 10-7 (95% c.l.) 58 Mio. τ ε = 9 %

28. Zukunft Mehr taus ! b-factories: ≈ 109 τc-factories: ≈ 108 LHC: WQ ≈ 200 µbn (η < 4.9) Lumi ≈ 1034 cm-2 s-1 Rate ≈ 1012 / Jahr

29. Hadronische Tau-Zerfälle τ-→υτ(had)-

30. Γhad Γe Rτ = = NC Sew ( 1 + δpert(αs) +δnon-pert+δew) 0.1910 -0.023 0.0010 Kopplungskonstante αs υτ τ e µ u u u W υe υµ d’ d’ d’

31. B (τ→υτhad) B(τ→υτe υe) = 1 - B (τ→υτeυe) -B (τ→υτµυµ) B(τ→υτe υe) = 1 B(τ→υτe υe) - 1.9726 = B(τ→υτe υe) = 0.1784 ± 0.0006  αs (mZ)= 0.121 ± 0.003 Messung αs Γ (τ→υτhad) Γ(τ→υτe υe) Rτ=

32. PDG 2002

33. 12 πSew |Vud|2 mτ2 Rτ = ds (1 - )2 (1 + ) Im Π(s) s mτ2 2s mτ2 Spektralfunktionen mτ2 0