Materie bestaat uit elementaire deeltjes, en het standaardmodel van deeltjesfysica stelt dat deze deeltjes voorkomen in twee families:leptonen (zoals elektronen en neutrino's) en quarks (die deel uitmaken van protonen en neutronen). Onder het standaardmodel, deze twee families zijn totaal verschillend, met verschillende elektrische ladingen en kwantumgetallen, maar hebben hetzelfde aantal generaties (zie onderstaande afbeelding).

Echter, enkele theorieën die verder gaan dan het standaardmodel, waaronder bepaalde "grote verenigde theorieën, " voorspellen dat leptonen en quarks bij hoge energie samensmelten om leptoquarks te worden. Deze leptoquarks worden voorgesteld in theorieën die proberen de sterke te verenigen, zwakke en elektromagnetische krachten.

Dergelijke "unificaties" zijn niet ongebruikelijk in de natuurkunde. Elektriciteit en magnetisme werden in de 19e eeuw op beroemde wijze verenigd in een enkele kracht die bekend staat als elektromagnetisme. via de elegante wiskundige formules van Maxwell. In het geval van leptoquarks, deze hybride deeltjes zouden de eigenschappen hebben van zowel leptonen als quarks, evenals hetzelfde aantal generaties. Hierdoor zouden ze niet alleen kunnen "splitsen" in de twee soorten deeltjes, maar zouden leptonen ook in quarks kunnen veranderen en vice versa. Inderdaad, anomalieën die werden gedetecteerd door zowel het LHCb-experiment als door Belle en Babar bij metingen van de eigenschappen van B-mesonen, kunnen ook worden verklaard door het bestaan ​​van deze veronderstelde deeltjes.

Als leptoquarks bestaan, ze zouden erg zwaar zijn en snel transformeren, of "verval, " in stabielere leptonen of quarks. Eerdere experimenten bij de SPS en LEP bij CERN, HERA bij DESY en de Tevatron bij Fermilab hebben gekeken naar verval naar deeltjes van de eerste en tweede generatie. Zoekopdrachten naar leptoquarks van de derde generatie (LQ3) werden voor het eerst uitgevoerd in de Tevatron, en worden nu onderzocht in de Large Hadron Collider (LHC).

Aangezien leptoquarks zouden veranderen in een lepton en een quark, LHC-zoekers zoeken naar veelbetekenende handtekeningen in de distributies van deze 'vervalproducten'. In het geval van leptoquarks van de derde generatie, het lepton kan een tau of een tau-neutrino zijn, terwijl de quark een boven- of onderkant kan zijn.

In een recente krant, gebruikmakend van gegevens verzameld in 2016 bij een botsingsenergie van 13 TeV, de Compact Muon Solenoid (CMS)-samenwerking bij de LHC presenteerde de resultaten van zoekopdrachten naar leptoquarks van de derde generatie, waarbij elke LQ3 die bij de botsingen werd geproduceerd aanvankelijk veranderde in een tau-toppaar.

Omdat versnellers tegelijkertijd deeltjes en antideeltjes produceren, CMS zocht specifiek naar de aanwezigheid van leptoquark-antileptoquark-paren in botsingsgebeurtenissen die de overblijfselen van een top-quark bevatten, een antitop-quark, een tau-lepton en een antitau-lepton. Verder, omdat leptoquarks nog nooit eerder zijn gezien en hun eigenschappen een mysterie blijven, natuurkundigen vertrouwen op geavanceerde berekeningen op basis van bekende parameters om ze te zoeken. Deze parameters omvatten de energie van de botsingen en verwachte achtergrondniveaus, beperkt door de mogelijke waarden voor de massa en spin van het hypothetische deeltje. Door deze berekeningen de wetenschappers kunnen inschatten hoeveel leptoquarks er zouden kunnen zijn geproduceerd in een bepaalde dataset van proton-protonbotsingen en hoeveel er mogelijk zijn omgezet in de eindproducten waarnaar hun detectoren kunnen zoeken.

"Leptoquarks zijn een van de meest prikkelende ideeën geworden om onze berekeningen uit te breiden, omdat ze het mogelijk maken om verschillende waargenomen anomalieën te verklaren. Bij de LHC doen we er alles aan om hun bestaan ​​te bewijzen of uit te sluiten, " zegt Roman Kogler, een fysicus op CMS die aan deze zoektocht heeft gewerkt.

Na het doorzoeken van botsingsgebeurtenissen op zoek naar specifieke kenmerken, CMS zag geen overdaad in de gegevens die zouden kunnen wijzen op het bestaan ​​van leptoquarks van de derde generatie. De wetenschappers konden daarom concluderen dat elk LQ3 dat uitsluitend transformeert naar een top-tau-paar, een massa van ten minste 900 GeV zou moeten hebben, of ongeveer vijf keer zwaarder dan de top-quark, het zwaarste deeltje dat we hebben waargenomen.

De limieten die door CMS zijn gesteld aan de massa van leptoquarks van de derde generatie zijn de strengste tot nu toe. CMS heeft ook gezocht naar leptoquarks van de derde generatie die transformeren in een tau-lepton en een bottom-quark, concluderen dat dergelijke leptoquarks een massa van ten minste 740 GeV zouden moeten hebben. Echter, het is belangrijk op te merken dat dit resultaat afkomstig is van het onderzoek van slechts een fractie van de LHC-gegevens bij 13 TeV, vanaf 2016. Verdere zoekopdrachten van CMS en ATLAS die rekening houden met gegevens van 2017 en de komende run van 2018 zullen ervoor zorgen dat de LHC theorieën over de fundamentele aard van ons universum kan blijven testen.