Jagten på leptoquarks er i gang

Stof er lavet af elementarpartikler, og standardmodellen for partikelfysik siger, at disse partikler forekommer i to familier:leptoner (såsom elektroner og neutrinoer) og kvarker (som udgør protoner og neutroner). Under standardmodellen, disse to familier er fuldstændig adskilte, med forskellige elektriske ladninger og kvantetal, men har samme antal generationer (se billedet nedenfor).

Imidlertid, nogle teorier, der går ud over standardmodellen, herunder visse "store forenede teorier, " forudsige, at leptoner og kvarker smelter sammen ved høje energier og bliver til leptoquarks. Disse leptoquarks er foreslået i teorier, der forsøger at forene de stærke, svage og elektromagnetiske kræfter.

Sådanne "foreninger" er ikke usædvanlige i fysik. Elektricitet og magnetisme blev berømt forenet i det 19. århundrede til en enkelt kraft kendt som elektromagnetisme, via Maxwells elegante matematiske formler. I tilfælde af leptoquarks, disse hybridpartikler menes at have egenskaberne af både leptoner og kvarker, samt samme antal generationer. Dette ville ikke kun give dem mulighed for at "dele" i de to typer partikler, men ville også tillade leptoner at ændre sig til kvarker og omvendt. Ja, anomalier påvist af LHCb-eksperimentet såvel som af Belle og Babar i målinger af egenskaberne af B mesoner kunne også forklares ved eksistensen af ​​disse hypotese partikler.

Hvis der findes leptoquarks, de ville være meget tunge og hurtigt forvandle sig, eller "forfald, " til mere stabile leptoner eller kvarker. Tidligere eksperimenter på SPS og LEP på CERN, HERA hos DESY og Tevatron hos Fermilab har set på henfald til første- og andengenerations-partikler. Søgninger efter tredje generation af leptoquarks (LQ3) blev først udført på Tevatron, og bliver nu udforsket ved Large Hadron Collider (LHC).

Da leptoquarks ville forvandle sig til en lepton og en kvark, LHC-søgende leder efter afslørende signaturer i distributionen af ​​disse "henfaldsprodukter". I tilfælde af tredje generation af leptoquarks, leptonen kunne være en tau eller en tau neutrino, mens kvarken kunne være en top eller bund.

I en nylig avis, ved hjælp af data indsamlet i 2016 ved en kollisionsenergi på 13 TeV, Compact Muon Solenoid (CMS) samarbejdet på LHC præsenterede resultaterne af søgninger efter tredje generation af leptoquarks, hvor hver LQ3 produceret i kollisionerne oprindeligt blev omdannet til et tau-top par.

Fordi kollidere producerer partikler og antipartikler på samme tid, CMS søgte specifikt efter tilstedeværelsen af ​​leptoquark-antileptoquark-par i kollisionshændelser, der indeholdt resterne af en topkvark, en antitop kvark, en tau lepton og en antitau lepton. Yderligere, fordi leptoquarks aldrig er set før, og deres egenskaber forbliver et mysterium, fysikere er afhængige af sofistikerede beregninger baseret på kendte parametre for at lede efter dem. Disse parametre omfatter energien fra kollisionerne og forventede baggrundsniveauer, begrænset af de mulige værdier for massen og spin af den hypotetiske partikel. Gennem disse beregninger, forskerne kan estimere, hvor mange leptoquarks, der kan være blevet produceret i et bestemt datasæt af proton-proton-kollisioner, og hvor mange der kan være blevet transformeret til de slutprodukter, deres detektorer kan lede efter.

"Leptoquarks er blevet en af ​​de mest fristende ideer til at udvide vores beregninger, da de gør det muligt at forklare flere observerede anomalier. Hos LHC gør vi alt for at enten bevise eller udelukke deres eksistens, " siger Roman Kogler, en fysiker på CMS, der arbejdede på denne søgning.

Efter at have gennemgået kollisionshændelser på udkig efter specifikke egenskaber, CMS så intet overskud i dataene, der kunne pege på eksistensen af ​​tredje generation leptoquarks. Forskerne var derfor i stand til at konkludere, at enhver LQ3, der udelukkende transformeres til et top-tau-par, skulle være mindst 900 GeV i masse, eller omkring fem gange tungere end topkvarken, den tungeste partikel, vi har observeret.

De grænser, som CMS har sat på massen af ​​tredje generation af leptoquarks, er de strammeste hidtil. CMS har også søgt efter tredje generation leptoquarks, der forvandler sig til en tau lepton og en bundkvark, konkludere, at sådanne leptoquarks skal være mindst 740 GeV i masse. Imidlertid, det er vigtigt at bemærke, at dette resultat kommer fra undersøgelsen af ​​kun en brøkdel af LHC-data ved 13 TeV, fra 2016. Yderligere søgninger fra CMS og ATLAS, der tager højde for data fra 2017 samt den kommende kørsel af 2018, vil sikre, at LHC kan fortsætte med at teste teorier om vores univers' fundamentale natur.