τ子

本條目是介紹帶負電荷的基本粒子τ子，關於陶子的其他含意，請見「陶子」。

τ子（tauon），又稱陶子、濤子，是帶負電荷、自旋1⁄2的基本粒子，標記為
τ−
，由馬丁·佩爾實驗團隊於1975年發現。陶子、電子、緲子與對應的三種中微子，都歸屬於輕子；陶子是第三代輕子，電子是第一代，緲子是第二代。對應於陶子的中微子稱為陶中微子。陶子的反粒子稱為反陶子，帶正電荷，其壽命、質量、自旋都和陶子相同，標記為
τ+
。

陶子

組成	基本粒子
系	費米子
代	第三代
基本交互作用	重力、電磁力、 弱交互作用
符號	τ−
反粒子	反陶子（ τ+ ）
發現	馬丁·佩爾團隊（1975）[1][2]
質量	7003177682000000000♠1776.82±0.16 MeV/c2[3]
平均壽命	6987290600000000000♠2.906(10)×10−13 s[3]
電荷	−1 e[3]
色荷	無
自旋	½[3]

陶子的半衰期為6987290000000000000♠2.9×10⁻¹³ 秒，質量為6990284677922563134♠1776.82 MeV（稍加比較，電子的質量為6986818712184856999♠0.511 MeV，緲子的質量為6989169350054675900♠105.7 MeV）。陶子的交互作用與電子非常類似，陶子可以視為電子的特大質量版本。由於陶子的特大質量，陶子發射出的軔致輻射比電子少很多，因此，陶子比電子更具有穿透性，但是陶子的壽命很短，陶子的移動範圍主要是由衰變長度設定，由於數值過小，很難觀察到軔致輻射。只有在超高能量時，即能量超過PeV時，才能觀察到陶子的穿透性。^[4]

歷史

馬丁·佩爾

馬丁·佩爾實驗團隊於1975年做實驗探測到陶子。^[2][5]:ch5這實驗主要使用到史丹佛直線加速器中心那時新裝置的史丹佛正負電子非對稱圈（英語：Stanford Positron Electron Asymmetric Ring）（SPEAR）與勞倫斯伯克利國家實驗室的磁性探測器。該實驗可以探測與分辨輕子、強子與光子，但該實驗並沒有直接探測到陶子，而是發現了64筆無法給出合理解釋的反常事件，這些事件的形式可以表示為

${\displaystyle \mathrm {e^{+}+e^{-}{\xrightarrow[{}]{}}\ e^{\pm }\ +\mu ^{\mp }\ +\ } }$至少兩個未被探測到的粒子

由於無法只用一個粒子來滿足能量守恆與動量守恆，因此必須存在有至少兩個未被探測到的粒子，可是該實驗並未探測到任何其它緲子、電子、光子、或強子，所以佩爾團隊提議，在這些事件裏，嶄新種類的
τ+

τ−
粒子對被製成，然後在短暫時間後又衰變為緲子與中微子：

${\displaystyle \mathrm {e^{+}+e^{-}{\xrightarrow[{}]{}}\ \tau ^{+}\ +\tau ^{-}\ {\xrightarrow[{}]{}}\ e^{\pm }\ +\mu ^{\mp }\ +4\nu } }$

這反應很難核對，因為製成
τ+

τ−
對所需的能量與製成D介子的閾值相近。後來，在德國電子加速器－漢堡、史丹佛正負電子非對稱圈（英語：Stanford Positron Electron Asymmetric Ring）的直接電子計數器（Direct Electron Counter，DELCO）完成的研究工作測得了陶子的質量與自旋。佩爾因為發現陶子與對輕子物理學的開創性實驗研究、弗雷德里克·萊因斯因為發現中微子與對輕子物理學的開創性實驗研究，兩人共同榮獲1995年諾貝爾物理學獎。

符號τ衍生自希臘語τρίτον（triton，在英文裏"第三個"的意思），陶子是第三個被發現的帶電輕子。^[6]

衰變

陶子衰變時發射W 玻色子的費曼圖。

陶子是唯一可以衰變成強子的輕子，其它輕子並不具有必需的質量。如同陶子的其它衰變方法，強子型衰變是通過弱交互作用進行。^[7]陶子的幾個主要強子型衰變與實驗測得的分支比為^[3][8]

${\displaystyle \mathrm {\tau ^{-}\ \xrightarrow {25.52\%} \ \pi ^{-}\ +\pi ^{0}\ +\nu _{\tau }} }$

${\displaystyle \mathrm {\tau ^{-}\ \xrightarrow {10.83\%} \ \pi ^{-}\ +\nu _{\tau }} }$

${\displaystyle \mathrm {\tau ^{-}\ \xrightarrow {9.30\%} \ \pi ^{-}\ +2\pi ^{0}\ +\nu _{\tau }} }$

${\displaystyle \mathrm {\tau ^{-}\ \xrightarrow {8.99\%} \ \pi ^{-}\ +\pi ^{+}\ +\pi ^{-}\ +\nu _{\tau }} }$

${\displaystyle \mathrm {\tau ^{-}\ \xrightarrow {2.70\%} \ \pi ^{-}\ +\pi ^{+}\ +\pi ^{-}\ +\pi ^{0}\ +\nu _{\tau }} }$

${\displaystyle \mathrm {\tau ^{-}\ \xrightarrow {1.05\%} \ \pi ^{-}\ +3\pi ^{0}\ +\nu _{\tau }} }$

將陶子的所有強子型衰變分支比總合起來，約為64.79%。

在標準模型裏，陶子與陶中微子的陶子數L_τ為1，反陶子與反陶中微子的陶子數L_τ為-1；其它種輕子的陶子數L_τ為0。由於在弱衰變裏，陶子數守恆，每當陶子衰變為緲子或電子時，會同步產生一個陶中微子。^[7]陶子的常見純輕子型衰變與實驗測得的分支比為^[3]

${\displaystyle \mathrm {\tau ^{-}\ \xrightarrow {17.83\%} \nu _{\tau }\ +e^{-}\ +{\bar {\nu }}_{e}} }$

${\displaystyle \mathrm {\tau ^{-}\ \xrightarrow {17.41\%} \ \nu _{\tau }\ +\mu ^{-}\ +{\bar {\nu }}_{\mu }} }$

由於輕子普適性，這兩個數值很近似。^[9]:36-38

奇異原子

像其它帶電次原子粒子一般，陶子也可能與其他次原子粒子共同形成奇異原子。例如，與電子偶素
e+

e−
或緲子偶素
μ+

e−
類似的陶子偶素（tauonium）
τ+

e−
，被預測有製備出來的可能性。^[10]

探測
τ+

τ−
原子對於量子電動力學的研究極為重要，因為它是最具質量，最緊密的純量子電動力學系統之一。但是，由於陶子會非常快速地衰變，製備與研究
τ+

τ−
原子是很困難的實驗。^[10]

參閱

• 小出公式（英語：Koide formula）