Leptokvark
A leptokvarkok a kvarkokkal és a leptonokkal kölcsönható feltételezett részecskék. Ezek színtöltött bozonok nem nulla lepton- és barionszámmal. Más kvantumszámaik, például a spin, a (tört) töltés és a gyenge izospin elméletenként eltér. A leptokvarkok a standard modell bizonyos kiterjesztéseiben jelen vannak, például a techniszínelméletben, a kvark–lepton egyesítés elméleteiben (például Pati–Salam-modell) vagy a SU(5)-ön, SO(10)-en, E6-on stb. alapuló nagy egyesített elméletekbe. A leptokvarkokat jelenleg az ATLAS és a CMS kutatják a CERN Nagy Hadronütköztetőjében.
2021 márciusában voltak kutatások a leptokvarkok lehetséges létén, mely a bottom kvarkok bomlásában lévő váratlan eltérésben jelent meg. Ennek szignifikanciája 3,1σ, jóval kevesebb, mint a felfedezés valószínűségéhez szükséges 5σ.[1]
Áttekintés
Ha léteznek, a leptokvarkoknak nehezebbnek kell lenniük minden ismert elemi részecskénél, különben felfedezték volna. A leptokvarkok tömegének jelenlegi kísérleti alsó határai (típustól függően) nagyjából 1 TeV/c2, vagyis a proton tömegének nagyjából 1000-szerese. A leptokvarkok definíció szerint kvarkká és leptonná vagy antileptonná kell bomlaniuk. Hasonlóan sok más elemi részecskéhez, rövid életűek, és nincsenek jelen a hagyományos anyagban. Azonban nagy energiájú részecskeütközések, például részecskegyorsítók vagy a földi légkört érő kozmikus sugarak létrehozhatnak leptokvarkokat.
A kvarkokhoz hasonlóan a leptokvarkoknak is rendelkezniük kell színtöltéssel, így a gluonokkal is kölcsönhatásba léphetnek. Ez az erős kölcsönhatásuk fontos a részecskegyorsítókban való előállításukhoz.
Egyszerűsített (töltésalapú) tipológia
Számos leptokvarktípus ismert elektromos töltésük alapján:
- Q = Sablon:Frac: u-típusú kvarkokra (u, c, t) és töltött antileptonokra (e+, μ+, τ+) bomlik.
- Q = Sablon:Frac: u-típusú kvarkokra és neutrínókra vagy antineutrínókra, vagy d-típusú kvarkokra (d, s, b) és töltött antileptonokra bomlik.
- Q = −Sablon:Frac: d-típusú kvarkokra és (anti)neutrínókra, vagy u-típusú kvarkokra és töltött leptonra bomlik.
- Q = −Sablon:Frac: d-típusú kvarkokra és töltött leptonra bomlik.
Ha egy adott töltésű leptokvark létezik, annak ellentétes töltésű antirészecskéjének, mely a fentiek konjugáltjaira bomlik, szintén léteznie kell.
Egy adott töltésű leptokvark kölcsönhathat bármilyen adott töltésű lepton–kvark kombinációval (ez különböző kölcsönhatást jelent adott típusú leptokvark esetén). Azonban kísérleti kutatások általában feltételezik, hogy ezek közül csak egy lehetséges. A Sablon:Frac töltésű, pozitronra és d kvarkra bomló leptokvarkot „első generációsnak”, az s kvarkra és antimüonra bomlót „második generációsnak” stb. nevezik. Azonban a legtöbb elmélet nem határozza meg, hogy a leptokvarkok csak egyféleképp léphetnek kölcsönhatásba, sem hogy a kvark és a lepton generációja feltétlenül azonos.[2]
Leptokvarkok és protonbomlás
A tiszta leptokvarkok nem sértik a barionszám-megmaradást. Azonban egyes elméletek lehetővé vagy szükségessé teszik, hogy a leptokvarkoknak legyen dikvarkkölcsönhatási lehetőségük. Például egy Sablon:Frac töltésű leptokvark bomolhat két d-típusú antikvarkra. Egy ilyen leptokvark–dikvark léte protonbomlást okozhat. A jelenlegi protonélettartam-határok ezeket erősen ellenőrzik. Ezek a területek megjelennek nagy egyesített elméletekben, például a Georgi–Glashow SU(5) modellben X és Y bozonokként.
Kísérleti eredmények
1997-ben számos eseményt találtak a HERA gyorsítónál, kérdéseket felvetve a részecskefizikában, mivel az eseménysokaság egyik lehetséges magyarázata a leptokvarkok jelenléte volt.[3] Későbbi, több adatot használó tanulmányok a HERA-nál és a Tevatronnál kizárták ezt legfeljebb mintegy 275-325 GeV/c2 tömegig.[4] Második generációs leptokvarkokat is kerestek, de nem találtak.[5]
A jelenlegi legjobb határokat a leptokvarkokra az LHC állította be, mely első, második, harmadik és kevert generációs leptokvarkokat is keresett,[6] az alsó tömeghatárt nagyjából 1 TeV/c2-re állította be.[7] A neutrínóhoz és kvarkhoz kapcsolódó leptokvarkokhoz a neutrínók miatt a részecskék ütközésekor hiányzó energiának nagyon nagynak kell lennie. A leptokvarkok létrejötte valószínűleg a nagy tömegű kvarkokéhoz hasonló.[8]
Az elektronokhoz és u vagy d kvarkokhoz kapcsolódó leptokvarkokhoz a legjobb határokat az atomi paritássértés és a paritássértő elektronelrendeződés adja meg.
Az elektrongyűrűt a létező LHC protongyűrűhöz hozzáadó LHeC projektet javasolták magasabb generációs leptokvarkok keresésére.[9]