Materia är gjord av elementarpartiklar, och standardmodellen för partikelfysik säger att dessa partiklar förekommer i två familjer:leptoner (som elektroner och neutriner) och kvarkar (som utgör protoner och neutroner). Under standardmodellen, dessa två familjer är helt olika, med olika elektriska laddningar och kvanttal, men har samma antal generationer (se bilden nedan).

Dock, några teorier som går utöver standardmodellen, inklusive vissa "stora enade teorier, " förutsäga att leptoner och kvarkar smälter samman vid höga energier för att bli leptoquarks. Dessa leptoquarks föreslås i teorier som försöker förena de starka, svaga och elektromagnetiska krafter.

Sådana "föreningar" är inte ovanliga inom fysiken. Elektricitet och magnetism förenades på 1800-talet till en enda kraft känd som elektromagnetism, via Maxwells eleganta matematiska formler. När det gäller leptoquarks, dessa hybridpartiklar tros ha egenskaperna hos både leptoner och kvarkar, samt samma antal generationer. Detta skulle inte bara tillåta dem att "delas" i de två typerna av partiklar utan skulle också tillåta leptoner att förändras till kvarkar och vice versa. Verkligen, anomalier som upptäckts av LHCb-experimentet såväl som av Belle och Babar i mätningar av egenskaperna hos B-mesoner kunde också förklaras av förekomsten av dessa hypoteserade partiklar.

Om det finns leptoquarks, de skulle vara mycket tunga och snabbt förvandlas, eller "förfall, " till mer stabila leptoner eller kvarkar. Tidigare experiment vid SPS och LEP vid CERN, HERA på DESY och Tevatron på Fermilab har tittat på sönderfall till första och andra generationens partiklar. Sökningar efter tredje generationens leptoquarks (LQ3) utfördes först på Tevatron, och utforskas nu vid Large Hadron Collider (LHC).

Eftersom leptoquarks skulle förvandlas till en lepton och en kvark, LHC-sökare letar efter tydliga signaturer i distributionen av dessa "förfallsprodukter". När det gäller tredje generationens leptoquarks, leptonen kan vara en tau eller en tau neutrino medan kvarken kan vara en topp eller botten.

I en färsk tidning, med hjälp av data som samlades in 2016 vid en kollisionsenergi på 13 TeV, Compact Muon Solenoid (CMS)-samarbetet vid LHC presenterade resultaten av sökningar efter tredje generationens leptoquarks, där varje LQ3 som producerades i kollisionerna initialt förvandlades till ett tau-toppar.

Eftersom kolliderar producerar partiklar och antipartiklar samtidigt, CMS sökte specifikt efter förekomsten av leptoquark-antileptoquark-par i kollisionshändelser som innehöll resterna av en toppkvark, en antitoppkvarg, en tau lepton och en antitau lepton. Ytterligare, eftersom leptoquarks aldrig har setts förut och deras egenskaper förblir ett mysterium, fysiker förlitar sig på sofistikerade beräkningar baserade på kända parametrar för att leta efter dem. Dessa parametrar inkluderar energin från kollisionerna och förväntade bakgrundsnivåer, begränsas av de möjliga värdena för massan och spinn för den hypotetiska partikeln. Genom dessa beräkningar, forskarna kan uppskatta hur många leptoquarks som kan ha producerats i en viss datauppsättning av proton-protonkollisioner och hur många som kan ha omvandlats till slutprodukterna som deras detektorer kan leta efter.

"Leptoquarks har blivit en av de mest lockande idéerna för att utöka våra beräkningar, eftersom de gör det möjligt att förklara flera observerade anomalier. På LHC gör vi allt för att antingen bevisa eller utesluta deras existens, säger Roman Kogler, en fysiker på CMS som arbetade med denna sökning.

Efter att ha sålt igenom kollisionshändelser och letat efter specifika egenskaper, CMS såg inget överskott i data som kan peka på förekomsten av tredje generationens leptoquarks. Forskarna kunde därför dra slutsatsen att varje LQ3 som enbart omvandlas till ett topp-tau-par skulle behöva vara minst 900 GeV i massa, eller ungefär fem gånger tyngre än toppkvarken, den tyngsta partikeln vi har observerat.

De gränser som CMS sätter på massan av tredje generationens leptoquarks är de snävaste hittills. CMS har också sökt efter tredje generationens leptoquarks som förvandlas till en tau lepton och en bottenkvark, dra slutsatsen att sådana leptoquarks skulle behöva vara minst 740 GeV i massa. Dock, det är viktigt att notera att detta resultat kommer från undersökningen av endast en bråkdel av LHC-data vid 13 TeV, från 2016. Ytterligare sökningar från CMS och ATLAS som tar hänsyn till data från 2017 såväl som den kommande körningen av 2018 kommer att säkerställa att LHC kan fortsätta att testa teorier om vårt universums grundläggande natur.