FOCUS: Het superzware zusje van de elektron

Ze wordt wel het zwaarste zusje van het elektron genoemd, het tau-lepton. Een schimmig negatief geladen deeltje, dat slechts 3 x 10-13 seconde leeft en dan uiteen kan vallen in een spectaculaire veelheid aan potentiële andere deeltjes. Dat laatste kan doordat het tau-lepton liefst bijna 3500 keer zo zwaar is als het alledaagse elektron, zodat er veel massa-energie beschikbaar is om nieuwe deeltjes te vormen, al is het maar even.

In het handboek van de deeltjesfysica beslaan de waargenomen vervalsprocessen en andere eigenaardigheden van het tau-lepton daardoor vele pagina’s. Dat maakt van het ongewone deeltje en haar directe familieleden een rijke bron van nieuwe fysische processen en tests van de theorie van de deeltjeswereld, het standaardmodel.

In de materie van alledag spelen alleen elektronen en up- en down-quarks een rol. De quarks vormen in verschillende combinaties de bouwstenen van de atoomkern, de protonen en neutronen. Voeg daar een wolkje elektronen aan toe en de materie is een feit. Maar er is meer dan dat. Wie met versnellers deeltjes voldoende hard laat botsen, krijgt zicht op andere deeltjes die het bestaan van liefst drie families van bouwstenen verraden.

Basis voor die families zijn drie zogeheten leptonen: het elektron, het muon en het tau-deeltje. Samen met neutrino’s, quarks en krachtdeeltjes vormen ze de basisbestanddelen voor het zogeheten standaardmodel van de deeltjeswereld.

De leptonen hebben elk ook een anti-deeltje met een tegengestelde elektrische lading, net als alle quarks ook een anti-quark kennen. Al met al kent de deeltjesfysica nu twaalf elementaire materiedeeltjes: zes quarks en zes leptonen.

Waarom er precies drie van zulke families bestaan en niet meer of minder, en in hoeverre ze werkelijk sprekend op elkaar lijken afgezien van hun massa’s, zijn nog steeds belangrijke vragen in de deeltjesfysica. Ondermeer het LHCb-experiment bij de LHC-versneller op CERN, waarin ook Nikhef intensief deelneemt, speurt mee naar antwoorden, die mogelijk zelfs buiten het standaardmodel van de deeltjesfysica liggen.

De familie rond het elektron heeft een wat zwaardere versie die is gegroepeerd rond het muon en zijn neutrino, plus de zogeheten charm en strange quarks. En eind jaren zestig werd nog een zwaardere versie gevonden, rond een deeltje dat tau-lepton is genoemd. Tau is de letter waarmee in het Grieks het woord triton begint, wat derde betekent. Naast het negatief geladen lepton kent de familie opnieuw ook een neutrino, en twee zware quarks, top en bottom genaamd.

In 1995 ontving de Amerikaanse natuurkundige Martin L. Perl (1927-2014) de Nobelprijs voor zijn ontdekking van het tau-deeltje. In de jaren zeventig leidde hij experimenten op de Stanford universiteit met botsende elektronen en hun anti-deeltjes, positronen. Als de botsingsenergie in de SLAC-versneller daar hoog genoeg werd ontstonden muonen, maar de energiebalans van de reactie bleek niet sluitend.

Perl was de eerste die daarin het ontstaan van een onbekend zwaar geladen deeltje herkende, het tau-lepton. Dat viel na korte tijd uiteen in de elektronen of muonen, die wel in het SPEAR-experiment werden geregistreerd. In 1975 publiceerden ze na vele tests hun resultaat: de ontdekking van het zwaarste zusje van het elektron, tau. Twintig jaar later werd dat dus met een Nobelprijs bezegeld.

Van 24-28 september vindt in de Vondelkerk in Amsterdam de internationale conferentie Tau2018 plaats, georganiseerd door het Nationaal instituut voor subatomaire fysica (Nikhef). Op de conferentie staat de fysica van de tau-familie centraal.

In de rubriek FOCUS worden actuele onderwerpen belicht uit de wereld van de deeltjes- en astrodeeltjesfysica.

De tau in de ‘Particle Zoo’ van Julie Peasly.

 

Martin L. Perl