Leptoquark

Leptoquarks (X- und Y-Bosonen) sind hypothetische Elementarteilchen, die gleichzeitig an Quarks und Leptonen koppeln. Sie werden in einer Reihe von Modellen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik postuliert, z. B. in feldtheoretischen GUT-Modellen wie dem Georgi-Glashow-Modell, konnten jedoch bislang nicht experimentell nachgewiesen werden.

Leptoquarks ermöglichen die Umwandlung von Leptonen in Quarks und umgekehrt und erklären die betragsmäßige Gleichheit der Ladung von Proton und Elektron. Ihre Existenz könnte auch erklären, warum es genauso viele Quarks wie Leptonen gibt, sowie viele weitere Ähnlichkeiten des Quark- und Leptonsektors.

Die zwölf Leptoquarks wurden erstmals von Jogesh Pati und Abdus Salam in einem SU(4)-Modell eingeführt, in dem die Leptonenzahl als vierte Farbladung behandelt wurde. Nach diesem Modell haben sie ganzzahligen Spin (0 oder 1) und tragen elektrische Ladung sowie Farbe:

Leptoquarks^[1][2]
(el. Ladungen Q in Einheiten der Elementarladung)

Farbladung		rot	grün	blau
	Q	X-Bosonen
Teilchen	+4/3	${\displaystyle X^{r}\!\,}$	${\displaystyle X^{g}\!\,}$	${\displaystyle X^{b}\!\,}$
Antiteilchen	−4/3	${\displaystyle {\bar {X}}^{r}}$	${\displaystyle {\bar {X}}^{g}}$	${\displaystyle {\bar {X}}^{b}}$
	Q	Y-Bosonen
Teilchen	+1/3	${\displaystyle Y^{r}\!\,}$	${\displaystyle Y^{g}\!\,}$	${\displaystyle Y^{b}\!\,}$
Antiteilchen	−1/3	${\displaystyle {\bar {Y}}^{r}}$	${\displaystyle {\bar {Y}}^{g}}$	${\displaystyle {\bar {Y}}^{b}}$

Starke Schranken an ihre Kopplungskonstantenprodukte – insbesondere bei Leptoquarks, die an links- und rechtshändige Quarks koppeln – können aus leptonischen Mesonenzerfällen (z. B. dem Pionenzerfall) abgeleitet werden.

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

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

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

X → u + u

X → e⁺ + d

wobei die beiden Zerfallsprodukte jeweils entgegengesetzte Chiralität aufweisen.

Ein Y-Boson hätte folgenden Zerfallsmodus:

Y → e⁺ + u

Y → d + u

Y → d + ν_e

wobei das erste Zerfallsprodukt jeweils linkshändig und das zweite rechtshändig wären.

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

Bei diesen Reaktionen sind weder die Leptonenzahl L noch die Baryonenzahl B erhalten (was den Protonenzerfall erlaubt), aber die Differenz B − L.

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

• X17-Teilchen, hypothetisches Teilchen, welches möglicherweise ein X-Boson ist

• Jogesh C. Pati, Abdus Salam: Unified Lepton-Hadron Symmetry and a Gauge Theory of the Basic Interactions. In: Physical Review D. Band 8, Nr. 4, 15. August 1973, S. 1240–1251, doi:10.1103/PhysRevD.8.1240. 
• Jogesh C. Pati, Abdus Salam: Is Baryon Number Conserved? In: Physical Review Letters. Band 31, Nr. 10, 3. September 1973, S. 661–664, doi:10.1103/PhysRevLett.31.661. 
• Jogesh C. Pati, Abdus Salam: Lepton number as the fourth „color“. In: Physical Review D. Band 10, Nr. 1, 1. Juli 1974, S. 275–289, doi:10.1103/PhysRevD.10.275. 
• W. Buchmüller, R. Rückl, D. Wyler: Leptoquarks in lepton-quark collisions. In: Physics Letters B. Band 191, Nr. 4, 18. Juni 1987, S. 442–448, doi:10.1016/0370-2693(87)90637-X. 
  W. Buchmüller, R. Rückl, D. Wyler: Erratum: Leptoquarks in lepton-quark collisions [Phys. Lett. B 191 (1987) 442]. In: Physics Letters B. Band 448, Nr. 3, 25. Februar 1999, S. 320, doi:10.1016/S0370-2693(99)00014-3. 
• J. Blümlein, R. Rückl: Production of scalar and vector leptoquarks in e⁺ e⁻ annihilation. In: Physics Letters B. Band 304, Nr. 3, 29. April 1993, S. 337–346, doi:10.1016/0370-2693(93)90306-3. 
• A. Blumhofer, B. Lampe: A low-energy compatible SU(4)-type model for vector leptoquarks of mass ≤ 1 TeV. In: The European Physical Journal C - Particles and Fields. Band 7, Nr. 1, 1. Februar 1999, S. 141–148, doi:10.1007/s100529900965, arxiv:hep-ph/9706454. 
• Dieter B. Herrmann: Antimaterie: auf der Suche nach der Gegenwelt. 2. aktualisierte Aufl., Beck, München 2004, ISBN 3-406-44504-7.
• Chris C. King: Dual-Time Supercausality. In: Physics Essays. Band 2, Nr. 2, 1. Juni 1989, S. 128–151, doi:10.4006/1.3035859 (auckland.ac.nz [PDF; abgerufen am 31. Januar 2021]). 

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.