Dos equipos de científicos del CERN -el Centro Europeo para la Investigación Nuclear, con sede en la región fronteriza francosuiza cercana a Ginebra- han completado de forma independiente un experimento propuesto hace más de tres décadas, en 1991, por los profesores del departamento de Física Teórica y del Cosmos de la Universidad de Granada Francisco del Águila, Fernando Cornet y José Ignacio Illana. 

Según ha informado la UGR, los investigadores granadinos publicaron hace 33 años un artículo titulado The possibility of using a large heavy-ion collider for measuring the electromagnetic properties of the tau lepton (La posibilidad de utilizar un gran colisionador de iones pesados para medir las propiedades electromagnéticas del leptón tau) y finalmente, hace unos meses, los equipos de científicos que operan  los detectores ATLAS y CMS del principal colisionador de partículas con los que cuenta el CERN, el LHC, han llevado a la práctica y corroborado el presupuesto teórico que proponían desde la UGR. 

La observación experimental de este tipo de procesos es extremadamente compleja, lo que explica por qué estos sofisticados detectores no habían podido hacerla hasta fechas muy recientes

La prueba, en síntesis, usa los haces de iones de plomo que circulan en el LHC acelerados a muy alta energía, según explica la UGR. En algunas ocasiones dos iones de plomo no chocan realmente, sino que pasan muy cerca uno de otro, creando una  interacción -llamada ultraperiférica- entre los campos electromagnéticos que sus cargas generan, en el proceso denominado fusión de fotones. La propuesta de los profesores de la Universidad de Granada defendía que era posible usar estas colisiones ultraperiféricas para estudiar la producción de una partícula elemental llamada leptón tau y su correspondiente antipartícula, lo que constituye la forma más limpia y precisa de explorar sus propiedades electromagnéticas. La observación experimental de este tipo de procesos es extremadamente compleja, lo que explica por qué estos sofisticados detectores no habían podido hacerla hasta fechas muy recientes [2,3].

El leptón tau es uno de los doce constituyentes fundamentales de la materia, con las mismas interacciones que el electrón pero una masa mucho mayor, lo que introduce diferencias notables entre ambas partículas. Una muy importante es que, mientras el electrón es estable, y por tanto no se desintegra, el leptón tau tiene una vida media muy corta, aproximadamente 10-13 segundos. Esto hace que sea imposible medir directamente sus propiedades ya que que  solo puede reconstruirse a partir de los restos de su desintegración. 

El número de parejas tau-antitau que se producen en las colisiones ultraperiféricas de iones pesados depende, entre otras cosas, de una propiedad característica de esta partícula llamada momento magnético anómalo, que asemeja el tau a un pequeño imán, añade la explicación distribuida por la UGR. El Modelo Estándar de la Física de Partículas predice un momento magnético anómalo para el tau tan extraordinariamente pequeño que ATLAS y CMS solo han podido poner una cota superior a su valor, que resulta ser compatible con las predicciones.

La precisión de los resultados de ATLAS y CMS es ya comparable a la mejor cota actual [4], que fue obtenida en 2004 en el experimento DELPHI del colisionador LEP, el predecesor del LHC en el CERN. Esta medida también estaba basada en una propuesta de los Profesores Cornet e Illana [5]. La idea era similar, pero en vez de iones pesados se usaban los procesos de fusión de fotones inducidos por colisiones electrón-positrón [5]. El margen de incertidumbre experimental irá disminuyendo conforme el LHC vaya acumulando datos de más colisiones en los próximos años.

Información adicional

[1] F. del Águila, F. Cornet and J.I. Illana, 

The possibility of using a large heavy-ion collider for measuring the electromagnetic properties of the tau lepton, 

Phys. Lett. B 271, 256 (1991).

[2] ATLAS Collaboration, 

Observation of the γγ→ττ Process in Pb+Pb Collisions and Constraints on the τ-Lepton Anomalous Magnetic Moment with the ATLAS Detector, 

Phys. Rev. Lett. 131, 151802 (2023). 

[3] CMS Collaboration, 

Observation of τ Lepton Pair Production in Ultraperipheral Pb-Pb Collisions at √s = 5.02 TeV, 

Phys. Rev. Lett. 131, 151803 (2023).

[4] DELPHI Collaboration, 

Study of tau-pair production in photon-photon collisions at LEP and limits on the anomalous electromagnetic moments of the tau lepton, 

Eur. Phys. J. C 35, 159 (2004).

[5] F. Cornet and J.I. Illana, 

τ-pair production via photon-photon collisions at the CERN e+e- collider LEP,