La scoperta del leptone τ

1. 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 Giorgio Castelnuovo

2. 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. Giorgio Castelnuovo

3. 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… Giorgio Castelnuovo

4. 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 Giorgio Castelnuovo

5. 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 cilindricheper 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. Giorgio Castelnuovo

6. IL RIVELATORE “MARK I” Un’altra visuale: Giorgio Castelnuovo

7. 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). Giorgio Castelnuovo

8. 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 muonchambers; • compatibilità tra la posizione dell’e misurata dai fotomoltiplicatori connessi al calorimetro e la traccia stimata. Evitavano di considerare e±combinazioni di eventi μ+γoπ+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%). Giorgio Castelnuovo

9. SELEZIONE DEGLI EVENTI • Consideriamo le misure prese a 4.8 GeV • Metodo usato per cercare eventi corrispondenti alla reazione: • Avevano 25300 eventi con 2 particelle cariche nello stato finale • Definivano un angolo di coplanarità: • e consideravano solo gli eventi con θcopl>20° per ridurre il fondo dalle reazioni • ed • Rimanevano così 2493 eventi • Per migliorare l’identificazione di eeμ consideravano solo particelle con impulso > 0.65 GeV • Rimanevano 513 eventi 2 1 θ Eventi candidati per la reazione Giorgio Castelnuovo

10. ANALISI • Gli eventi e-μpossono venire dalla reazione , ma ha sezione d’urto troppo piccola. Ciò è provato dall’assenza di eventi e-μcon carica 2. • 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 Giorgio Castelnuovo

11. 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-μdella 1a colonna da parte degli altri canali: • e-e in cui eμ: = 1 ± 1 ev • μ-μin 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? Giorgio Castelnuovo

12. ANALISI Per cercare di rispondere indaghiamo la cinematica dei due leptoni carichi prodotti dal decadimento della coppia della nuova particella prodotta e+ pe X+ pμ e+ e- θcoll X- μ- Un angolo significativo per studiare la cinematica è θcoll  80° • 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 Giorgio Castelnuovo

13. 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-μe 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. Giorgio Castelnuovo

14. 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-μcon 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. Giorgio Castelnuovo

15. CONCLUSIONE Da tutto ciò: Non avevano quindi ancora abbastanza elementi per stabilire cosa fosse esattamente il nuovo processo. Ma la scoperta era avvenuta! Giorgio Castelnuovo

16. 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. Giorgio Castelnuovo