レプトクォーク
仮説粒子

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的な粒子です。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（例えば、パティ・サラムモデル）、SU(5)、SO(10)、E 6 などに基づく大統一理論など、標準モデルの様々な拡張で用いられています。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（LHC）のATLAS実験とCMS実験で探索されています。

2021年3月、ボトムクォークが電子やミューオンを生成する崩壊過程における予想外の違いとして、レプトクォークの存在の可能性を示唆する報告がいくつかありました。この測定は統計的有意性3.1σで行われ、これは通常発見と見なされる5σレベルをはるかに下回っています。[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、レプトクォークの質量の実験的下限は（種類によって異なるが）約1  TeV/ c 2 （つまり、陽子の質量の約1000倍）です。定義上、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。他の多くの素粒子と同様に、レプトクォークの寿命は非常に短く、通常の物質中には存在しません。しかし、粒子加速器などの高エネルギー粒子衝突や、地球の大気圏に衝突する宇宙線によって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、グルーオンと相互作用しなければなりません。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）におけるレプトクォークの生成に重要です。

簡略化された類型論

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) に崩壊する、および/またはダウン型クォーク (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、および/または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で最大3 × 3 = 9通りの異なる相互作用が生じる）。しかし、実験的探索では通常、これらの「チャネル」のうち1つだけが可能であると仮定される。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「第一世代レプトクォーク」、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「第二世代レプトクォーク」などと呼ばれる。しかしながら、ほとんどの理論は、レプトクォークが単一の相互作用しか持たず、関与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根拠をあまり示していない。 [2]

陽子崩壊

純粋なレプトクォークの存在は、重粒子数の保存則を損なわない。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可能性がある。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。陽子寿命の現在の制限は、これらのレプトクォーク-ダイクォークの存在を強く示唆するものである。これらの場は大統一理論で出現する。例えば、ゲオルギ-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、レプトクォークの関与の可能性が考えられるため、素粒子物理学界に衝撃を与えた。 [3]しかし、HERAとテバトロンで行われたその後の研究では、より大きなデータサンプルを用いて、質量が約275–325 GeV/ c 2。[4]第二世代のレプトクォークも探索されたが、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は第一、第二、第三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と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、原子のパリティ破れとパリティ破れ電子散乱の実験により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、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

  1. ^ Johnston, Hamish (2021年3月23日). 「CERNで『レプトクォーク』と呼ばれる新粒子が発見されたのか？」Physics World . 2021年3月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  2. ^ Diaz, B.; Schmaltz, M.; Zhong, Y.-M. (2017). 「レプトクォークハンターのガイド：対生成」. Journal of High Energy Physics . 97 (10): 97. arXiv : 1706.05033 . Bibcode :2017JHEP...10..097D. doi :10.1007/JHEP10(2017)097. S2CID  118894139.
  3. ^ 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。
  4. ^ Andreev, V.; et al. (H1 Collaboration) (2005). 「HERAにおける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.
  5. ^ 「レプトクォークの探索」フェルミ国立加速器研究所（Fermilab）。
  6. ^ Tanabashi, M.; et al. (Particle Data Group) (2018). 「粒子物理学レビュー：レプトクォークの量子数」（PDF） . Physical Review D. 98 ( 3) 030001. Bibcode :2018PhRvD..98c0001T. doi : 10.1103/PhysRevD.98.030001 .
  7. ^ 「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。
  8. ^ デイビッド・ヘディン「第三世代レプトクォークの探索」デカルブ、イリノイ州：ノーザンイリノイ大学。2020年8月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年3月5日閲覧。
  9. ^ 「バーミンガムLHeCプロジェクトページ」。
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