τ子

本条目是介绍带负电荷的基本粒子τ子，关于陶子的其他含意，请参看陶子。

τ子（tauon），又称陶子、濤子，是带负电荷、自旋1⁄2的基本粒子，标记为
τ−
，由马丁·佩尔实验团队于1975年发现。τ子、电子、μ子与对应的三种中微子，都归属于轻子；τ子是第三代轻子，电子是第一代，μ子是第二代。对应于τ子的中微子称为τ中微子。τ子的反粒子称为反τ子，带正电荷，其寿命、质量、自旋都和τ子相同，标记为
τ+
。

τ子

组成	基本粒子
系	费米子
代	第三代
基本相互作用	引力、电磁力、 弱相互作用
符号	τ−
反粒子	反τ子（ τ+ ）
发现	马丁·佩尔团队（1975）
质量	7003177682000000000♠1776.82±0.16 MeV/c2
平均寿命	6987290600000000000♠2.906(10)×10−13 s
电荷	−1 e
色荷	无
自旋	½

τ子的半衰期为6987290000000000000♠2.9×10⁻¹³ 秒，质量为6990284677922563134♠1776.82 MeV（稍加比较，电子的质量为6986818712184856999♠0.511 MeV，μ子的质量为6989169350054675900♠105.7 MeV）。τ子的相互作用与电子非常类似，τ子可以视为电子的特大质量版本。由于τ子的特大质量，τ子发射出的轫致辐射比电子少很多，因此，τ子比电子更具有穿透性，但是τ子的寿命很短，τ子的移动范围主要是由衰变长度设定，由于数值过小，很难观察到轫致辐射。只有在超高能量时，即能量超过PeV时，才能观察到τ子的穿透性。

历史

马丁·佩尔

马丁·佩尔实验团队于1975年做实验探测到τ子。这实验主要使用到斯坦福直线加速器中心那时新装置的斯坦福正负电子非对称圈（SPEAR）与劳伦斯伯克利国家实验室的磁性探测器。该实验可以探测与分辨轻子、强子与光子，但该实验并没有直接探测到τ子，而是发现了64笔无法给出合理解释的反常事件，这些事件的形式可以表示为

$\mathrm {e^{+}+e^{-}{\xrightarrow[{}]{}}\ e^{\pm }\ +\mu ^{\mp }\ +\ }$至少两个未被探测到的粒子

由于无法只用一个粒子来满足能量守恒与动量守恒，因此必须存在有至少两个未被探测到的粒子，可是该实验并未探测到任何其它μ子、电子、光子、或强子，所以佩尔团队提议，在这些事件里，崭新种类的
τ+

τ−
粒子对被制成，然后在短暂时间后又衰变为μ子与中微子：

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

这反应很难核对，因为制成
τ+

τ−
对所需的能量与制成D介子的阈值相近。后来，在德国电子加速器－汉堡、斯坦福正负电子非对称圈的直接电子计数器（Direct Electron Counter，DELCO）完成的研究工作测得了τ子的质量与自旋。佩尔因为发现τ子与对轻子物理学的开创性实验研究、弗雷德里克·莱因斯因为发现中微子与对轻子物理学的开创性实验研究，两人共同荣获1995年诺贝尔物理学奖。

符号τ衍生自希腊语τρίτον（triton，在英文里"第三个"的意思），τ子是第三个被发现的带电轻子。

衰变

τ子衰变时发射W 玻色子的费曼图。

τ子是唯一可以衰变成强子的轻子，其它轻子并不具有必需的质量。如同τ子的其它衰变方法，强子型衰变是通过弱相互作用进行。τ子的几个主要强子型衰变与实验测得的分支比为

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

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

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

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

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

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

将τ子的所有强子型衰变分支比总合起来，约为64.79%。

在标准模型里，τ子与τ中微子的τ子数L_τ为1，反τ子与反τ中微子的τ子数L_τ为-1；其它种轻子的τ子数L_τ为0。由于在弱衰变里，τ子数守恒，每当τ子衰变为μ子或电子时，会同步产生一个τ中微子。τ子的常见纯轻子型衰变与实验测得的分支比为

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

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

由于轻子普适性，这两个数值很近似。

奇异原子

像其它带电亚原子粒子一般，τ子也可能与其他亚原子粒子共同形成奇异原子。例如，与电子偶素
e+

e−
或μ子偶素
μ+

e−
类似的τ子偶素（tauonium）
τ+

e−
，被预测有制备出来的可能性。

探测
τ+

τ−
原子对于量子电动力学的研究极为重要，因为它是最具质量，最紧密的标量子电动力学系统之一。但是，由于τ子会非常快速地衰变，制备与研究
τ+

τ−
原子是很困难的实验。

参阅

• 小出公式

外部链接

• Nobel Prize in Physics 1995 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Perl's logbook showing tau discovery
• A Tale of Three Papers （页面存档备份，存于互联网档案馆） gives the covers of the three original papers announcing the discovery.