Leptokwarki

Leptokwarki (LQ) – hipotetyczne cząstki, które miałyby oddziaływać z kwarkami i leptonami. Leptokwarki to bozony barwne trypletowe, które przenoszą zarówno liczbę leptonową, jak i barionową. Ich inne liczby kwantowe, takie jak spin (ułamkowy) ładunek elektryczny i słaby izospin, różnią się w zależności od teorii. Leptokwarki spotykane są w różnych rozszerzeniach modelu standardowego, takich jak teorie technikoloru, teorie unifikacji kwark-lepton (np. model Pati-Salama), czy GUT oparte na SU(5), SO(10), E6 itp. Leptokwarki są obecnie poszukiwane w eksperymentach ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN.

W marcu 2021 r. pojawiły się doniesienia wskazujące na możliwe istnienie leptokwarków jako nieoczekiwanej różnicy w sposobie rozpadu kwarków pięknych, tworząc elektrony lub miony. Pomiaru dokonano przy istotności statystycznej 3,1σ, czyli znacznie poniżej poziomu 5σ, który zwykle uważany jest za odkrycie^[1].

Informacje ogólne

Leptokwarki, jeśli istnieją, muszą być cięższe niż wszystkie znane obecnie cząstki elementarne, w przeciwnym razie zostałyby już odkryte. Obecne eksperymentalne dolne limity masy LQ (w zależności od ich rodzaju) wynoszą około 1 TeV/c² (tj. około 1000 razy więcej niż masa protonu). Z definicji leptokwarki rozpadają się bezpośrednio na kwark i lepton lub antylepton. Jak większość innych cząstek elementarnych żyją one bardzo krótko i nie występują w zwykłej materii. Mogą jednak powstawać w zderzeniach cząstek o wysokiej energii, takich jak zderzacze cząstek lub z promieniowania kosmicznego uderzającego w atmosferę ziemską. Podobnie jak kwarki, leptokwarki muszą posiadać ładunek kolorowy, a zatem muszą również oddziaływać z gluonami. To ich oddziaływanie silne jest ważne dla ich wytwarzania w zderzaczach hadronów (takich jak Tevatron lub LHC).

Uproszczona klasyfikacja według ładunku elektrycznego

Można założyć istnienie kilku rodzajów leptokwarków w zależności od ich ładunku elektrycznego:

Q = 5⁄3: Taki LQ rozpada się na kwarki typu górnego (wysoki, powabny, górny) i naładowane antyleptony (e⁺, μ⁺, τ⁺).
Q = 2⁄3: LQ rozpada się na kwarki typu górnego i neutrina (lub antyneutrina) i/lub na kwarki typu dolnego (niski, dziwny, dolny) i naładowane antyleptony.
Q = -1⁄3: LQ rozpada się na kwarki typu dolnego i (anty)neutrina i/lub na kwark typu górnego i naładowany lepton.
Q = -4⁄3: LQ rozpada się na kwarki typu dolnego i naładowane leptony.

Jeśli istnieje LQ o danym ładunku, to musi istnieć również jej antycząstka o przeciwnym ładunku, która rozpadłaby się na stany sprzężone do wymienionych powyżej.

Leptokwark o danym ładunku elektrycznym może w ogólności oddziaływać z dowolną kombinacją leptonu i kwarka o danym ładunku elektrycznym (co daje do 3×3=9 różnych oddziaływań dla jednego typu LQ). Jednak badania eksperymentalne zwykle zakładają, że tylko jedno z tych oddziaływań jest możliwe. Przykładowo, leptokwark o ładunku 2/3, rozpadający się na pozyton i kwark d, nazywany jest „LQ pierwszej generacji”, leptokwark rozpadający się na kwark s i antymion to „LQ drugiej generacji” itd. Niestety większość teorii nie daje podstaw teoretycznych, aby wierzyć, że LQ mają tylko jedną interakcję oraz że generacja kwarka i leptonu jest taka sama^[2].

Leptokwarki i rozpad protonów

Istnienie czystych leptokwarków nie naruszałoby zasady zachowania liczby barionowej. Jednak niektóre teorie dopuszczają (lub nawet wymagają), aby leptokwark miał również wierzchołek interakcji dikwarkowej. Przykładowo, naładowany leptokwark Q = ⅔ mógłby również rozpadać się na dwa antykwarki typu d. Istnienie takiego leptokwarka-dikwarku spowodowałoby rozpad protonów. Obecne ograniczenia czasu życia protonów są mocnymi wyzwaniami dla istnienia tych leptokwarków-dikwarków. Zagadnienia te pojawiają się w teoriach wielkiej unifikacji, na przykład w modelu Georgi-Glashow SU(5) nazywane są bozonami X i Y.

Badania eksperymentalne

W 1997 r. nadmiar zdarzeń w akceleratorze HERA wywołał poruszenie w środowisku fizyków cząstek elementarnych, ponieważ jednym z możliwych wyjaśnień nadmiaru był udział w nim leptokwarków^[3]. Jednak późniejsze badania przeprowadzone zarówno w HERA, jak i w Tevatronie, z większymi próbkami danych wykluczyły tę możliwość dla mas leptokwarka do około 275-325 GeV^[4]. Poszukiwano również i nie znaleziono leptokwarków drugiej generacji^[5].

Obecne najlepsze limity dla leptokwarków są ustalane przez LHC, które poszukiwało leptokwarków pierwszej, drugiej i trzeciej generacji oraz niektórych leptokwarków mieszanej generacji^[6] i podniosło dolny limit masy do około 1 TeV^[7]. W celu udowodnienia istnienia leptokwarków sprzężonych z neutrinem i kwarkiem, brakująca energia w zderzeniach cząstek przypisywana neutrinom musiałaby być nadmiernie energetyczna. Jest prawdopodobne, że powstanie leptokwarków naśladuje powstanie kwarków masywnych^[8].

W przypadku leptokwarków sprzężonych z elektronami oraz kwarkami górnymi i dolnymi najlepsze granice wyznaczają eksperymenty z naruszeniem parzystości atomowej i rozpraszaniem elektronów naruszającym parzystość. Projekt LHeC polegający na dodaniu pierścienia elektronowego, w celu zderzenia pęczków z istniejącym pierścieniem protonowym LHC, jest proponowany jako projekt poszukiwania leptokwarków wyższej generacji^[9].

Przypisy

↑ Johnston, Hamish (23 March 2021). „Has a new particle called a ‘leptoquark’ been spotted at CERN?”. Physics World. Archived from the original on 24 March 2021.
↑ Diaz, B.; Dchmaltz, M.; Zhong, Y.-M. (2017). „The leptoquark hunter’s guide: pair production”. Journal of High Energy Physics. 97 (10): 97. arXiv: 1706.05033. Bibcode:2017JHEP...10..097D. doi:10.1007/JHEP10(2017)097. S2CID 118894139.
↑ Horgan, John (24 March 1997). „Leaping leptoquarks! Hints of „new physics” emerge from German accelerators”. Scientific American.
↑ Andreev, V.; et al. (H1 Collaboration) (2005). „Search for leptoquark bosons in e p collisions at HERA”. Physics Letters B. 629 (1): 9–19. arXiv:hep-ex/0506044. Bibcode:2005PhLB..629....9H. doi:10.1016/j.physletb.2005.09.048. S2CID 119363170.
↑ „The search for leptoquarks”. Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab).
↑ Tanabashi, M.; et al. (Particle Data Group) (2018). „Review of Particle Physics: Leptoquark quantum numbers” (PDF). Physical Review D. 98 (3): 030001. doi:10.1103/PhysRevD.98.030001.
↑ „Leptoquarks review” (PDF). Berkeley, California: Lawrence Berkeley National Laboratory. 2016.
↑ Hedin, David. „Search for third generation leptoquarks”. DeKalb, IL: Northern Illinois University. Retrieved 5 March 2020.
↑ „Birmingham LHeC project page”.

[1] Johnston, Hamish (23 March 2021). „Has a new particle called a ‘leptoquark’ been spotted at CERN?”. Physics World. Archived from the original on 24 March 2021.

[2] Diaz, B.; Dchmaltz, M.; Zhong, Y.-M. (2017). „The leptoquark hunter’s guide: pair production”. Journal of High Energy Physics. 97 (10): 97. arXiv: 1706.05033. Bibcode:2017JHEP...10..097D. doi:10.1007/JHEP10(2017)097. S2CID 118894139.

[3] Horgan, John (24 March 1997). „Leaping leptoquarks! Hints of „new physics” emerge from German accelerators”. Scientific American.

[4] Andreev, V.; et al. (H1 Collaboration) (2005). „Search for leptoquark bosons in e p collisions at HERA”. Physics Letters B. 629 (1): 9–19. arXiv:hep-ex/0506044. Bibcode:2005PhLB..629....9H. doi:10.1016/j.physletb.2005.09.048. S2CID 119363170.

[5] „The search for leptoquarks”. Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab).

[6] Tanabashi, M.; et al. (Particle Data Group) (2018). „Review of Particle Physics: Leptoquark quantum numbers” (PDF). Physical Review D. 98 (3): 030001. doi:10.1103/PhysRevD.98.030001.

[7] „Leptoquarks review” (PDF). Berkeley, California: Lawrence Berkeley National Laboratory. 2016.

[8] Hedin, David. „Search for third generation leptoquarks”. DeKalb, IL: Northern Illinois University. Retrieved 5 March 2020.

[9] „Birmingham LHeC project page”.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]