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レプトクォークは、クォークやレプトンと相互作用する仮想の粒子です。レプトクォークは、レプトン数と重粒子数の両方を持つカラー三重項ボソンです。スピン、（分数）電荷、弱いアイソスピンなどの他の量子数は、モデルによって異なります。レプトクォークは、テクニカラー理論、クォーク-レプトン統一理論（例：パティ-サラムモデル）、SU(5)、SO(10)、E 6などに基づくGUTなど、標準モデルのさまざまな拡張で使用されています。レプトクォークは現在、欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器のATLAS実験とCMS実験で探索されています。
2021年3月、ボトムクォークが崩壊して電子やミューオンを生成する方法の予想外の違いとして、レプトクォークが存在する可能性を示唆する報告がいくつかありました。この測定は3.1σという統計的有意性で行われ、これは通常発見と見なされる5σレベルを大きく下回っています。[1]
概要
レプトクォークが存在するとすれば、現在知られているどの素粒子よりも重いはずである。そうでなければ、すでに発見されているはずである。現在、実験的に得られたレプトクォークの質量の下限値は（種類によって異なるが）約1000万トンである。1 TeV/ c 2 (つまり、陽子の質量の約 1000 倍)。定義により、レプトクォークはクォークとレプトンまたは反レプトンに直接崩壊します。他のほとんどの素粒子と同様に、それらは非常に短い時間しか存在せず、通常の物質には存在しません。ただし、粒子加速器などの高エネルギー粒子の衝突や、地球の大気圏に衝突する 宇宙線から生成される可能性があります。
クォークと同様に、レプトクォークも色を帯びているため、グルーオンとも相互作用する必要があります。この強い相互作用は、ハドロン 衝突型加速器（テバトロンやLHCなど） でレプトクォークを生成するために重要です。
簡略化された類型（電荷による）
レプトクォークには、その電荷に応じていくつかの種類が考えられます。
- Q = 5 ⁄ 3 : このようなレプトクォークはアップ型クォーク（アップ、チャーム、トップ）と荷電反レプトン（e +、μ +、τ +）に崩壊します。
- Q = 2 ⁄ 3 : このようなレプトクォークは、アップ型クォークとニュートリノ(または反ニュートリノ) に崩壊し、ダウン型クォーク (ダウン、ストレンジ、ボトム) と荷電反レプトンに崩壊します。
- Q = − 1 ⁄ 3 : このようなレプトクォークはダウン型クォークと（反）ニュートリノに崩壊するか、アップ型クォークと荷電レプトンに崩壊します。
- Q = − 4 ⁄ 3 : このようなレプトクォークはダウン型クォークと荷電レプトンに崩壊します。
特定の電荷を持つレプトクォークが存在する場合、反対の電荷を持ち、上記のものと共役状態に崩壊するその反粒子も存在する必要があります。
与えられた電荷を持つレプトクォークは、一般に、与えられた電荷を持つレプトンとクォークの任意の組み合わせと相互作用する可能性がある（これにより、1 種類のレプトクォークの最大3 × 3 = 9の異なる相互作用が生じる）。ただし、実験的探索では通常、これらの「チャネル」の 1 つだけが可能であると想定される。特に、陽電子とダウンクォークに崩壊するQ = 2 ⁄ 3の電荷を持つレプトクォークは「第 1世代レプトクォーク」と呼ばれ、ストレンジクォークと反ミューオンに崩壊するレプトクォークは「第 2 世代レプトクォーク」などと呼ばれる。それにもかかわらず、ほとんどの理論は、レプトクォークが 1 つの相互作用しか持たず、関連するクォークとレプトンの世代が同じであると信じる理論的動機をあまりもたらさない。[2]
レプトクォークと陽子崩壊
純粋なレプトクォークの存在は、重粒子数の保存を損なうことはない。しかし、いくつかの理論では、レプトクォークがダイクォーク相互作用頂点を持つことを許容（または要求）している。例えば、Q = 2 ⁄ 3の荷電レプトクォークは、2つのダウン型反クォークに崩壊することもある。このようなレプトクォーク-ダイクォークの存在は、陽子の崩壊を引き起こす。陽子の寿命に対する現在の制限は、これらのレプトクォーク-ダイクォークの存在の強力なプローブである。これらの場は大統一理論で出現する。例えば、ジョージ-グラショー SU(5) モデルでは、これらはX ボソンと Y ボソンと呼ばれる。
実験的な検索
1997年、HERA加速器で発生した過剰事象は素粒子物理学界に衝撃を与えた。過剰事象の原因の一つとしてレプトクォークが関与している可能性が指摘されたためである[3] 。しかし、HERAとテバトロンで行われたその後の研究では、レプトクォークの質量が約100万個までであればこの可能性は排除された。275–325 GeV/ c 2。[4]第二世代のレプトクォークも探されたが見つからなかった。[5]
レプトクォークの現在の最良の限界はLHCによって設定されており、LHCは第1、第2、第3世代のレプトクォークといくつかの混合世代のレプトクォークを探索しており[6] 、質量の下限を約1 TeV/ c 2。[7]ニュートリノとクォークに結合するレプトクォークの存在が証明されるためには、ニュートリノに起因する粒子衝突で失われたエネルギーが過度に高エネルギーでなければならない。レプトクォークの生成は、質量を持つクォークの生成を模倣する可能性が高い。[8]
電子およびアップクォークまたはダウンクォークに結合するレプトクォークについては、原子のパリティ違反とパリティ違反電子散乱の実験によって最良の限界が設定されます。
既存のLHC陽子リングに電子リングを追加してバンチを衝突させるLHeCプロジェクトは、より高世代のレプトクォークを探すプロジェクトとして提案されている。[9]
参照
参考文献
- ^ ジョンストン、ハミッシュ（2021年3月23日）。「CERNで『レプトクォーク』と呼ばれる新しい粒子が発見されたか？」Physics World。2021年3月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ Diaz, B.; Schmaltz, M.; Zhong, Y.-M. (2017). 「レプトクォークハンターのガイド：ペア生成」. Journal of High Energy Physics . 97 (10): 97. arXiv : 1706.05033 . Bibcode :2017JHEP...10..097D. doi :10.1007/JHEP10(2017)097. S2CID 118894139.
- ^ ホーガン、ジョン（1997年3月24日）。「跳躍するレプトクォーク！ドイツの加速器から「新物理学」のヒントが浮かび上がる」サイエンティフィック・アメリカン。
- ^ Andreev, V.; et al. (H1 Collaboration) (2005). 「HERA での e p 衝突におけるレプトクォークボソンの探索」. Physics Letters B. 629 ( 1): 9–19. arXiv : hep-ex/0506044 . Bibcode :2005PhLB..629....9H. doi :10.1016/j.physletb.2005.09.048. S2CID 119363170.
- ^ 「レプトクォークの探索」フェルミ国立加速器研究所 (Fermilab)。
- ^ Tanabashi, M.; et al. (Particle Data Group) (2018). 「Review of Particle Physics: Leptoquark quantum numbers」(PDF) . Physical Review D . 98 (3): 030001. doi : 10.1103/PhysRevD.98.030001 .
- ^ 「レプトクォークレビュー」（PDF）。カリフォルニア州バークレー：ローレンス・バークレー国立研究所。2016年。
- ^ ヘディン、デイビッド。「第三世代レプトクォークの探索」。イリノイ州ディカルブ：ノーザンイリノイ大学。 2020年3月5日閲覧。
- ^ 「バーミンガム LHeC プロジェクト ページ」。