Tauonio

Tauonio: en busca del átomo más pequeño con interacción electromagnética pura

Átomos de materia y antimateria

El átomo de hidrógeno alguna vez fue considerado el átomo más simple de la naturaleza, compuesto por un electrón (sin estructura) y un protón estructurado.

Sin embargo, aunque mucho menos conocido, existe un tipo de átomo aún más simple, formado por electrones sin estructura (e-), muones (μ-) o tauones (τ-) y sus antipartículas igualmente sin estructura. Estos átomos híbridos de materia y antimateria se mantienen unidos únicamente mediante interacciones electromagnéticas.

También conocidos como átomos QED (acrónimo en inglés de electrodinámica cuántica), sus estructuras más simples que la de los átomos de hidrógeno brindan perspectivas diferentes para estudiar problemas como la mecánica cuántica, la simetría fundamental e incluso la fuerza de gravedad.

Hasta la fecha, sólo se han observado dos átomos con interacciones electromagnéticas puras: positronio, un estado unido electrón-positrón descubierto en 1951, y muonio, un estado unido electrón-antimuón, descubierto en 1960.

El positronio está formado por el electrón y su antipartícula, el positrón, mientras que el muonio está formado por el electrón y la antipartícula del muón. En ambos casos, las partes materia y antimateria están unidas únicamente por la fuerza electromagnética. El positronio es muy inestable, ya que el electrón y su antimateria se aniquilan rápidamente entre sí. El muón dura un poco más, ya que el muón es más pesado que el electrón.

En los últimos 64 años no ha habido otros signos de estos átomos con interacciones electromagnéticas puras, aunque hay algunas propuestas para buscarlos en rayos cósmicos o en aceleradores de alta energía.

Es posible que esto esté a punto de cambiar ahora.

Tauonio

Uno de los candidatos más buscados en este ámbito de los átomos híbridos es el conocido como tauón, que debe estar compuesto por una partícula tau (o tauón) y su antipartícula, el antitauón. Es interesante porque tiene un radio de Bohr (el radio de la órbita del electrón en el estado fundamental del átomo de hidrógeno, según el modelo atómico de Bohr) de sólo 30,4 femtómetros (1 femtómetro = 10-15 metros), que es aproximadamente 1/1741 del radio de Bohr de un átomo de hidrógeno.

Esto significa que el tauonio nos permitirá probar los principios fundamentales de la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica en escalas mucho más pequeñas de lo que es posible hoy en día, proporcionando una herramienta para explorar los misterios de los reinos atómico y subatómico.

Un equipo de físicos de varias universidades chinas ha ideado un nuevo enfoque para que finalmente podamos observar el tauonio de forma experimental.

Los cálculos del equipo muestran que si recopilamos datos cerca del límite de producción de pares de partículas tau en un colisionador electrón-positrón y seleccionamos eventos de señal que contienen partículas cargadas acompañadas de neutrinos portadores de energía no detectados, la importancia de la observación de tauón excederá cinco sigma, que es el indicador que los físicos utilizan para dar a una observación la categoría de "descubrimiento", es decir, mostrar evidencia experimental de la existencia de tauón.

Tauonio: en busca del átomo más pequeño con interacción electromagnética pura

Experimentos

Otra conclusión interesante es que, utilizando los mismos datos, la precisión de la medición de la masa tau se puede mejorar hasta un nivel sin precedentes de 1 keV, dos órdenes de magnitud mayor que la precisión más alta alcanzada por los experimentos actuales. Esto por sí solo no sólo contribuirá a comprobar con precisión la teoría electrodébil en el modelo estándar, sino que también tendrá importantes implicaciones para cuestiones fundamentales de la física, como la universalidad del sabor leptónico.

Este trabajo es importante porque se están diseñando al menos dos colisionadores que podrán realizar las mediciones propuestas: el STCF (acrónimo en inglés de Tau-Charme Installation), en China, y el SCTF (acrónimo en inglés de Charme-Tau Factory). ), En Rusia.

Ambos tienen entre sus objetivos trabajar cerca del límite del par tauón, medir la masa de tau con alta precisión y, eventualmente, atrapar el átomo más pequeño y pesado con interacciones electromagnéticas puras. Estos resultados, si realmente se logran, nos brindarán una comprensión más profunda de la materia, la antimateria y sus interacciones.