Natuurkundigen jagen op een ongrijpbaar deeltje dat in beide richtingen zwaait, en als ze het vinden, zou dit verschillende bizarre resultaten kunnen verklaren die zijn gevonden bij atoomvernietigers over de hele wereld.
In de moderne fysica is materie op het meest basale niveau verdeeld in twee soorten deeltjes: enerzijds zijn quarks, die meestal aan elkaar binden tot protonen en neutronen, die op hun beurt de atoomkernen vormen. Aan de andere kant zijn er leptonen. Deze omvatten al het andere met massa - van gewone elektronen tot de meer exotische muonen en taus, tot zwakke, bijna niet-detecteerbare neutrino's. Onder normale omstandigheden hechten deze deeltjes voornamelijk aan hun eigen soort; quarks hebben voornamelijk interactie met andere quarks en leptons met andere leptons.
Maar natuurkundigen vermoeden dat er meer deeltjes zijn. Veel meer. En een van die voorgestelde klassen van deeltjes wordt het leptoquark genoemd. Als ze bestaan, zouden leptoquarks de kloof tussen leptonen en quarks overbruggen en met beide soorten deeltjes koppelen. Niemand heeft ooit direct bewijs gevonden voor het bestaan van leptoquarks, maar onderzoekers hebben redenen om te vermoeden dat ze daar zijn. In september publiceerden experimentalisten van de Large Hadron Collider (LHC) de resultaten van verschillende experimenten in het voorgedrukte tijdschrift arXiv, ontworpen om hun bestaan te bewijzen of te weerleggen.
'Leptoquarks zijn een van de meest prikkelende ideeën geworden om onze berekeningen uit te breiden, omdat ze het mogelijk maken om verschillende waargenomen afwijkingen te verklaren', zei Roman Kogler, natuurkundige bij de LHC, in een verklaring.
Wat zijn die afwijkingen? Eerdere experimenten bij de LHC, Fermilab en elders hebben vreemde resultaten opgeleverd, met meer 'gebeurtenissen' waarbij deeltjes werden gemaakt dan de dominante natuurkundetheorieën voorspelden. Leptoquarks, die kort na hun ontstaan zouden uiteenvallen in buien van andere deeltjes, zouden die extra gebeurtenissen kunnen verklaren.
Om op het leptoquark te jagen, doorzochten onderzoekers van de LHC enorme hoeveelheden gegevens. De LHC slaat protonen tegen elkaar met extreem hoge energieën, en de hoop is dat er na verloop van tijd patronen zullen ontstaan in de gegevens van die botsingen die zouden aantonen dat leptoquarks af en toe kort verschijnen in die creatieve gloed.
Tot dusver hebben nieuw verschenen artikelen alleen bepaalde soorten leptoquarks uitgesloten, wat aantoont dat leptoquarks die leptonen zouden binden aan quarks met een bepaald energieniveau, nog niet zijn opgekomen. Maar er is nog steeds een breed scala aan energie om te verkennen.
Yiming Zhong, natuurkundige aan de Boston University en co-hoofdauteur van een theoretisch artikel uit oktober 2017, gepubliceerd in The Journal of High Energy Physics getiteld The Leptoquark Hunter's Guide, zei dat hoewel het spannend is om LHC-onderzoekers te zien jagen op leptoquarks, denkt hij dat hun visie op het meervoudige koppelingsdeeltje is te smal.
Deeltjesfysici verdelen materiedeeltjes niet alleen in leptonen en quarks, maar ook in categorieën die ze 'generaties' noemen. De op-en-neer-quarks, evenals het elektron en elektron-neutrino, zijn "eerste generatie" -quarks en leptonen. De tweede generatie omvat charme en vreemde quarks, evenals muonen en muon-neutrino's. En top quarks, bottom quarks, taus en tau neutrino's vormen de derde generatie, volgens CERN, de Europese organisatie voor nucleair onderzoek, die de LHC exploiteert. Deeltjes van de eerste generatie zijn lichter en stabieler, terwijl de tweede en derde generatie zwaarder en korter leven.
De leptoquark-zoekopdrachten die door de LHC zijn gepubliceerd, gaan er allemaal van uit dat de leptoquarks generatieregels volgen die de bekende deeltjes beheersen. Een leptoquark van de derde generatie kan worden gekoppeld aan een tau en een onderste quark. Een tweede generatie kan worden gekoppeld aan een muon en een vreemde quark. Enzovoort.
Maar Zhong vertelde WordsSideKick.com dat elke volledige leptoquark-jacht moet aannemen dat er "multigenerationele leptoquarks" zouden kunnen zijn, die wild zouden kunnen slingeren, misschien van de eerste generatie elektronen naar de derde generatie onderste quarks. Hij zei dat hij geruchten had gehoord dat onderzoekers daar klaar voor zijn om een dergelijke zoektocht te beginnen, maar dat geen van de nog niet vrijgegeven documenten van de LHC die openheid voor mogelijkheden weerspiegelt.
In de tussentijd kunnen leptoquarks er zijn, die kort koppelen aan de deeltjes die ze kiezen voordat ze in een flits verdwijnen. Of misschien niet. Voorlopig is de leptoquark-jacht nog steeds aan de gang.
