Leptoquark

Leptoquarks sind hypothetische Elementarteilchen, die gleichzeitig an Quarks und Leptonen koppeln. Leptoquarks werden in einer Reihe von Modellen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik postuliert, so zum Beispiel in GUT-Modellen (GUT = Grand Unified Theory, Große vereinheitlichte Theorie) wie dem Georgi–Glashow-Modell. Sollten Leptoquarks existieren, würde ihr Austausch die Umwandlung von Leptonen in Quarks und umgekehrt ermöglichen und die Gleichheit der Ladung von Proton und Elektron erklären. Die Existenz von Leptoquarks könnte auch erklären, warum es genauso viele Quarks wie Leptonen gibt und viele weitere Ähnlichkeiten des Quark- und Leptonsektors.

Leptoquarks wurden erstmals in einem SU(4)-Modell von Jogesh Pati und Abdus Salam, in dem die Leptonenzahl als vierte Farbe behandelt wurde, eingeführt. Sie haben ganzzahligen Spin (0 oder 1) und tragen elektrische Ladung und Farbe. Starke Schranken an ihre Kopplungskonstantenprodukte, insbesondere bei Leptoquarks, die an links- und rechtshändige Quarks koppeln, können aus leptonischen Mesonenzerfällen (zum Beispiel Pionenzerfall) abgeleitet werden.

Die Klassifikation von Buchmüller, Rückl und Wyler (BRW-Klassifikation) teilt Leptoquarks nach ihrem Spin (0 oder 1), der Fermionzahl (0 oder 2), dem schwachen Isospin und der Kopplung an links- oder rechtshändige Fermionen ein.

Von den zwölf Leptoquarks sind drei X-Bosonen $\!\,X^r$, $\!\,X^g$, $\!\,X^b$ mit einer elektrischen Ladung Q=+4/3 (in Einheiten der Elementarladung e), drei sind Anti-X-Bosonen $\bar X^{r,g,b}$ mit Q=-4/3, sowie sechs weitere sind Y-Bosonen $\!\,Y^{r,g,b}$ und $\bar Y^{r,g,b}$ mit Q=+1/3 bzw. Q=-1/3.^[1][2]

Die Leptoquark-Lagrangefunktion enthält neben Termen, die die gleiche Form haben wie in der supersymmetrischen Lagrangefunktion, weitere (pseudoskalare) Wechselwirkungen. Durch Ausschluss der pseudoskalaren Wechselwirkungen können aus den Schranken an Leptoquark-Wechselwirkungen einfach die entsprechenden Schranken an R-paritätsverletzende supersymmetrische Wechselwirkungen gewonnen werden.

Die Leptoquarks X und Y koppeln Quarks an Leptonen, und erlauben so eine Verletzung der Erhaltung der Baryonenzahl und damit den Protonenzerfall.

Ein X-Boson hätte den folgenden Zerfallsmodus:^[2]

X → u + u

X → e⁺ + d

wobei die beiden Zerfallsprodukte jeweils entgegengesetzte Chiralität aufweisen.

Ein Y-Boson hätte den folgenden Zerfallsmodus:

Y → e⁺ + u

Y → d + u

Y → d + ν_e

wobei das erste Zerfallsprodukt jeweils linkshändige und das zweite rechtshändige Chiralität hätten.

Dabei bezeichnet u das Up-Quark, d das Down-Quark, ν_e das Elektron-Antineutrino, e⁺ das Positron (Anti-Elektron). Ähnliche Zerfallsprodukte gibt es für die anderen Teilchen-Generationen.

Bei diesen Reaktionen sind weder die Leptonenzahl (L) noch die Baryonenzahl (B) erhalten, jedoch aber die Differenz B − L.

Unterschiedliche Zerfallsraten des X-Bosons und seines Antiteilchens (so wie etwa beim K-Meson) könnten die Baryogenese zu Beginn unseres Universums erklären. Man nimmt an, dass Leptoquarks nur in einer sehr kurzen Periode am Anfang des Universums existiert haben, am Ende der GUT-Ära kurz nach dem Urknall. Dann zerfielen sie in Quarks und Leptonen und bildeten, den Theorien entsprechend, die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie aus.

Leptoquarks wurden bislang nicht experimentell nachgewiesen.

Fußnoten

1. ↑ Manchmal werden die X- und Y-Bosonen noch durch ihre Ladungen gekennzeichnet, dann kann man auch generell den Buchstaben X verwenden. Man spricht dann nur von X-Bosonen und meint alle Leptoquarks.
2. ↑ ^{a b} Ta-Pei Cheng, Ling-Fong Li: Gauge Theory of Elementary Particle Physics, Oxford University Press 1984 [korrigierter Nachdruck 1988, 2000], ISBN 0-19-851961-3

Literatur

• J. C. Pati und A. Salam, Unified Lepton - Hadron Symmetry And A Gauge Theory Of The Basic Interactions, Phys. Rev. D 8 (1973) 1240, Phys. Rev. Lett. 31 (1973) 661, Phys. Rev. D 10 (1974) 275.
• W. Buchmüller, R. Rückl und D. Wyler, Leptoquarks In Lepton Quark Collisions, Phys. Lett. B 191 (1987) 442 [Erratum-ibid. B 448 (1999) 320].
• J. Blümlein und R. Rückl, Production of scalar and vector leptoquarks in e+ e- annihilation, Phys. Lett. B 304 (1993) 337.
• A. Blumhofer und B. Lampe, A low-energy compatible SU(4)-type model for vector leptoquarks of mass </= 1TeV, Eur. Phys. J. C 7 (1999) 141.
• Dieter B. Herrmann: Antimaterie: auf der Suche nach der Gegenwelt, 2. aktualisierte Aufl., München, Beck, 2004, ISBN 3-406-44504-7
• Chris C. King: Dual-Time Supercausality (1989) Physics Essays 2/2 128-151 [1]

Weblinks

• Protonenzerfall