Los leptoquarks son partículas hipotéticas que interactuarían con quarks y leptones . Los leptoquarks son bosones tripletes de color que llevan números leptónicos y bariónicos . Sus otros números cuánticos , como el espín , la carga eléctrica (fraccional) y el isospín débil varían entre los modelos. Los leptoquarks se encuentran en varias extensiones del Modelo Estándar , como las teorías technicolor , las teorías de unificación quark-leptón (por ejemplo, el modelo Pati-Salam ) o las GUT basadas en SU(5) , SO(10) , E6 , etc. Actualmente, se buscan leptoquarks en los experimentos ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN .
En marzo de 2021, aparecieron algunos informes que apuntaban a la posible existencia de leptoquarks como una diferencia inesperada en la forma en que los quarks bottom se desintegran para crear electrones o muones. La medición se ha realizado con una significación estadística de 3,1 σ , que está muy por debajo del nivel de 5σ que suele considerarse un descubrimiento. [1]
Los leptoquarks, si existen, deben ser más pesados que cualquiera de las partículas elementales conocidas actualmente , de lo contrario ya habrían sido descubiertos. Los límites experimentales inferiores actuales para la masa de los leptoquarks (dependiendo de su tipo) rondan los 1000 000 000.1 TeV/ c 2 (es decir, aproximadamente 1000 veces la masa del protón ). Por definición, los leptoquarks se desintegran directamente en un quark y un leptón o un antileptón. Como la mayoría de las demás partículas elementales , viven muy poco tiempo y no están presentes en la materia ordinaria. Sin embargo, pueden producirse en colisiones de partículas de alta energía, como en los colisionadores de partículas o a partir de los rayos cósmicos que golpean la atmósfera de la Tierra.
Al igual que los quarks, los leptoquarks deben tener color y, por lo tanto, también deben interactuar con los gluones . Esta fuerte interacción entre ellos es importante para su producción en los colisionadores de hadrones (como el Tevatron o el LHC ).
Se pueden considerar varios tipos de leptoquarks, dependiendo de su carga eléctrica :
Si existe un leptoquark con una carga dada, su antipartícula con una carga opuesta y que se desintegraría en estados conjugados a los enumerados anteriormente, también debe existir.
Un leptoquark con una carga eléctrica dada puede, en general, interactuar con cualquier combinación de un leptón y un quark con cargas eléctricas dadas (esto produce hasta 3 × 3 = 9 interacciones distintas de un solo tipo de leptoquark). Sin embargo, las búsquedas experimentales generalmente suponen que solo uno de esos "canales" es posible. En particular, un leptoquark con una carga Q = 2 ⁄ 3 que se desintegra en un positrón y un quark down se denomina "leptoquark de primera generación ", un leptoquark que se desintegra en un quark strange y un antimuón es un "leptoquark de segunda generación", etc. Sin embargo, la mayoría de las teorías no aportan mucha motivación teórica para creer que los leptoquarks tienen solo una única interacción y que la generación del quark y el leptón involucrados es la misma. [2]
La existencia de leptoquarks puros no estropearía la conservación del número bariónico . Sin embargo, algunas teorías permiten (o requieren) que el leptoquark también tenga un vértice de interacción con un diquark. Por ejemplo, un leptoquark con carga Q = 2 ⁄ 3 también podría desintegrarse en dos antiquarks de tipo down. La existencia de un leptoquark-diquark de este tipo provocaría la desintegración de los protones . Los límites actuales de la vida de los protones son pruebas sólidas de la existencia de estos leptoquark-diquarks. Estos campos emergen en las teorías de gran unificación ; por ejemplo, en el modelo SU(5) de Georgi–Glashow , se denominan bosones X e Y.
En 1997, un exceso de eventos en el acelerador HERA creó un revuelo en la comunidad de física de partículas , porque una posible explicación del exceso era la participación de los leptoquarks. [3] Sin embargo, estudios posteriores realizados tanto en HERA como en el Tevatron con muestras de datos más grandes descartaron esta posibilidad para masas del leptoquark de hasta alrededor de 10 ...275–325 GeV/ c 2 . [4] También se buscaron leptoquarks de segunda generación y no se encontraron. [5]
Los mejores límites actuales para los leptoquarks están establecidos por el LHC , que ha estado buscando la primera, segunda y tercera generación de leptoquarks y algunos leptoquarks de generación mixta [6] y ha elevado el límite de masa inferior a aproximadamente1 TeV/ c 2 . [7] Para que se demuestre la existencia de leptoquarks acoplados a un neutrino y un quark, la energía faltante en las colisiones de partículas atribuidas a los neutrinos tendría que ser excesivamente energética. Es probable que la creación de leptoquarks imite la creación de quarks masivos. [8]
Para los leptoquarks que se acoplan a electrones y a quarks arriba o abajo, los experimentos de violación de la paridad atómica y de dispersión de electrones que violan la paridad establecen los mejores límites.
El proyecto LHeC para añadir un anillo de electrones para colisionar haces con el anillo de protones LHC existente se propone como un proyecto para buscar leptoquarks de mayor generación. [9]