Leptoquark

En física, los leptoquarks son partículas hipotéticas que interactuarían con quarks y leptones . Los leptoquarks son bosones triplete de color que poseen 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 tecnicolor , las teorías de unificación quark-leptón (por ejemplo, el modelo de Pati-Salam ) o las Teorías de Gran Unificación 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, algunos informes sugerían 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 realizó con una significancia estadística de 3,1 σ , muy por debajo del nivel de 5σ que generalmente se considera 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 inferiores experimentales actuales para la masa de los leptoquarks (dependiendo de su tipo) rondan los 101 TeV/ c² ( ^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. Al igual que la mayoría de las demás partículas elementales , tienen una vida muy corta y no están presentes en la materia ordinaria. Sin embargo, podrían producirse en colisiones de partículas de alta energía, como en colisionadores de partículas , o a partir de rayos cósmicos que impactan la atmósfera terrestre.

Al igual que los quarks, los leptoquarks deben tener color y, por lo tanto, también deben interactuar con los gluones . Esta fuerte interacción es importante para su producción en colisionadores de hadrones (como el Tevatron o el LHC ).

Se pueden considerar varios tipos de leptoquarks, dependiendo de su carga eléctrica :

• Q = 5 / 3 : Dicho leptoquark se desintegra en quarks de tipo up ( up , charm , top ) y antileptones cargados ( e ⁺ , μ ⁺ , τ ⁺ ).
• Q = 2 / 3 : Dicho leptoquark se desintegra en quarks de tipo arriba y neutrinos (o antineutrinos), y/o en quarks de tipo abajo ( down , strange , bottom ) y antileptones cargados.
• Q = − 1 ⁄ 3 : Dicho leptoquark se desintegra en quarks de tipo down y (anti)neutrinos, y/o en un quark de tipo up y un leptón cargado.
• Q = − 4 ⁄ 3 : Dicho leptoquark se desintegra en quarks de tipo down y leptones cargados.

Si existe un leptoquark con una carga determinada, su antipartícula con carga opuesta, que se desintegraría en estados conjugados a los mencionados 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 suelen asumir que solo uno de esos "canales" es posible. En particular, un leptoquark con 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. No obstante, la mayoría de las teorías no aportan mucha motivación teórica para creer que los leptoquarks tienen una sola interacción y que la generación del quark y el leptón involucrados es la misma. ^{[ 2 ]} 

La existencia de leptoquarks puros no alteraría la conservación del número bariónico . Sin embargo, algunas teorías permiten (o requieren) que el leptoquark también tenga un vértice de interacción diquark. Por ejemplo, un leptoquark cargado Q  = 2/3 podría desintegrarse en dos antiquarks de tipo down. La existencia de tal leptoquark-diquark provocaría la desintegración de protones . Los límites actuales de la vida media del protón son fuertes indicadores 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 les llama bosones X e Y. 

En 1997, un exceso de eventos en el acelerador HERA causó revuelo en la comunidad de física de partículas , ya que una posible explicación del exceso era la participación de 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 de leptoquark de hasta aproximadamente275–325  GeV/ c2 . ^{[ 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 inferior de masa a aproximadamente1  TeV/ c² ^{. [ 7} ] Para que se demuestre la existencia de leptoquarks acoplados a un neutrino y un quark, la energía faltante en las colisiones ^de partículas atribuida 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 quarks arriba o abajo, los experimentos de violación de la paridad atómica y la dispersión de electrones con violación de la paridad establecen los mejores límites.

El proyecto LHeC para agregar un anillo de electrones para colisionar haces con el anillo de protones LHC existente se propone como un proyecto para buscar leptoquarks de generación superior. ^{[ 9 ]}

• bosones X e Y
• Complementariedad quark-leptón