Το κυνήγι για τα λεπτοκουάρκ έχει ξεκινήσει με διάφορες μελέτες δεδομένων από συγκρούσεις στο CERN

Η ύλη συνίσταται από στοιχειώδη σωμάτια και το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής καθορίζει ότι τα σωμάτια αυτά οργανώνονται σε δυο οικογένειες: τα λεπτόνια (όπως τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα) και τα κουάρκ (που συγκροτούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια). Στο Καθιερωμένο Πρότυπο, οι δυο αυτές οικογένειες είναι τελείως διακριτές, με διαφορετικά ηλεκτρικά φορτία και κβαντικούς αριθμούς, όμως έχουν τον ίδιο αριθμό γενεών (παρακάτω εικόνα). Ωστόσο, ορισμένες θεωρίες που πηγαίνουν πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων «μεγάλων ενοποιημένων θεωριών», προβλέπουν ότι τα λεπτόνια και τα κουάρκ συγχωνεύονται σε υψηλές ενέργειες για να γίνουν λεπτοκουάρκ. Αυτά τα λεπτοκουάρκ προτείνονται σε θεωρίες προσπαθώντας να ενοποιήσουν τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις: την ισχυρή, την ασθενή και την ηλεκτρομαγνητική.

Τέτοιες «ενοποιήσεις» δεν είναι ασυνήθιστες στη φυσική. Ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός ήταν τα δυο μέρη της περίφημης ενοποίησης του 19ου αιώνα σε μια δύναμη γνωστή ως ηλεκτρομαγνητισμός, μέσω των κομψών μαθηματικών εξισώσεων του Maxwell. Στην περίπτωση των λεπτοκουάρκ, τα υβριδικά αυτά σωμάτια θεωρούνται ότι έχουν τις ιδιότητες τόσο των λεπτονίων όσο και των κουάρκ, καθώς και τον ίδιο αριθμό γενεών. Αυτό δεν θα τα επέτρεπε μόνο να «χωρίζονται» σε δυο τύπους σωματίων, αλλά θα επέτρεπε επίσης τα λεπτόνια να αλλάζουν σε κουάρκ και το αντίστροφο. Πράγματι, ανωμαλίες που ανιχνεύθηκαν από το πείραμα LHCb καθώς και από τα Belle και Babar σε μετρήσεις των ιδιοτήτων των Β μεσονίων θα μπορούσαν επίσης να εξηγηθούν με την ύπαρξη αυτών των υποτιθέμενων σωματίων.

Αν τα λεπτοκουάρκ υπάρχουν, θα είναι πολύ βαριά και γρήγορα μετασχηματιζόμενα, ή «διασπώμενα», σε περισσότερο σταθερά λεπτόνια ή κουάρκ. Προηγούμενα πειράματα στα SPS και LEP στο CERN, το HERA στο DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) και το Tevatron στο Fermilab έχουν ψάξει σε διασπάσεις για τη πρώτη – και δεύτερη – γενιά σωματίων. Έρευνες για τη τρίτη γενιά λεπτοκουάρκ (LQ3) για πρώτη φορά διενεργήθηκαν στο Tevatron και τώρα διενεργούνται στον LHC (Large Hadron Collider). Καθώς τα λεπτοκουάρκ θα μετασχηματίζονταν σε λεπτόνιο και κουάρκ, οι ερευνητές στον LHC ψάχνουν για αποκαλυπτικές υπογραφές στις κατανομές αυτών των «προϊόντων διάσπασης». Στην περίπτωση της τρίτης γενιάς λεπτοκουάρκ, το λεπτόνιο θα μπορούσε να είναι ταυ ή ταυ-νετρίνο ενώ το κουάρκ θα μπορούσε να είναι top ή bottom.
Σε πρόσφατη εργασία, χρησιμοποιώντας δεδομένα που συλλέχθηκαν το 2016 σε μια ενέργεια σύγκρουσης των 13 TeV, η συνεργασία CMS (Compact Muon Solenoid) στον LHC παρουσίασε τα αποτελέσματα ερευνών για την τρίτη γενιά λεπτοκουάρκ, όπου κάθε LQ3 που παρήχθη στις συγκρούσεις αρχικά μετασχηματίστηκε σε ένα ζεύγος ταυ-top.

Επειδή οι επιταχυντές σύγκρουσης παράγουν ταυτόχρονα σωμάτια και αντισωμάτια, η CMS ιδιαίτερα έψαξε για την παρουσία λεπτοκουάρκ και αντιλεπτοκουάρκ σε γεγονότα σύγκρισης που περιέχουν τα υπολείμματα top κουάρκ, αντι-top κουάρκ, ταυ λεπτονίου και ενός αντι-ταυ λεπτονίου. Παραπέρα, επειδή τα λεπτοκουάρκ δεν έχουν εμφανιστεί ποτέ πριν και οι ιδιότητές τους παραμένουν ένα μυστήριο, οι φυσικοί βασίζονται σε σύνθετους υπολογισμούς που βασίζονται σε γνωστές παραμέτρους για να ψάξουν για αυτά. Αυτές οι παράμετροι περιλαμβάνουν την ενέργεια των συγκρούσεων και τα αναμενόμενα επίπεδα υποβάθρου, που περιορίζονται από τις πιθανές τιμές για τη μάζα και το σπιν των υποθετικών σωματίων. Μέσω αυτών των υπολογισμών, οι επιστήμονες μπορούν να εκτιμήσουν πόσα λεπτοκουάρκ μπορεί να έχουν παραχθεί σε ένα ιδιαίτερο σύνολο δεδομένων συγκρούσεων μεταξύ πρωτονίων και πόσα μπορεί να έχουν μετασχηματιστεί στα τελικά προϊόντα που οι ανιχνευτές τους μπορούν να ψάξουν.

«Τα λεπτοκουάρκ έχουν γίνει μια από τις πιο προκλητικές ιδέες για την επέκταση των υπολογισμών μας, καθώς τα καθιστά πιθανά για την εξήγηση διάφορων παρατηρούμενων ανωμαλιών. Στο LHC κάνουμε κάθε προσπάθεια είτε για να αποδείξουμε είτε να αποκλείσουμε την ύπαρξή τους», αναφέρει στην ιστοσελίδα του CERN ο Roman Kogler, φυσικός στο CMS ο οποίος εργάζεται σε αυτή την έρευνα.

Μετά το ξεκαθάρισμα των γεγονότων σύγκρουσης ψάχνοντας για ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, η συνεργασία CMS δεν είδε υπέρβαση στα δεδομένα που θα μπορούσε να δείξει την ύπαρξη της τρίτης γενιάς λεπτοκουάρκ. Οι επιστήμονες έτσι μπόρεσαν να συμπεράνουν ότι τα όποια LQ3 που μετασχηματίζονται αποκλειστικά σε ζεύγος top-ταυ θα χρειάζεται να είναι τουλάχιστον μάζας 900 GeV ή περίπου πέντε φορές βαρύτερα από το top κουάρκ, το πιο μεγάλης μάζας σωμάτιο που έχει παρατηρηθεί.

Τα όρια που τέθηκαν από την CMS στη μάζα των τρίτης γενιάς λεπτοκουάρκ είναι τα στενότερα μέχρι τώρα. Η συνεργασία CMS έχει επίσης ερευνήσει για τρίτης γενιάς λεπτοκουάρκ που μετασχηματίζονται σε ταυ λεπτόνιο και bottom κουάρκ, συμπεραίνοντας ότι τέτοια λεπτοκουάρκ θα πρέπει να είναι μάζας τουλάχιστον 740 GeV. Ωστόσο είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι αυτό το αποτέλεσμα προέρχεται από την εξέταση μόνο ενός κλάσματος δεδομένων του LHC στα 13 TeV, από το 2016. Περαιτέρω έρευνες από CMS και ATLAS που λαμβάνει υπόψη δεδομένα από το 2017 καθώς και τον επερχόμενο γύρο του 2018 θα σιγουρέψει ότι το LHC μπορεί να συνεχίζει να ελέγχει τις θεωρίες σχετικά με τη θεμελιώδη φύση του σύμπαντός μας.