La materia è fatta di particelle elementari, e il Modello Standard della fisica delle particelle afferma che queste particelle si trovano in due famiglie:leptoni (come elettroni e neutrini) e quark (che costituiscono protoni e neutroni). Sotto il modello standard, queste due famiglie sono totalmente distinte, con diverse cariche elettriche e numeri quantici, ma hanno lo stesso numero di generazioni (vedi immagine sotto).

Però, alcune teorie che vanno oltre il Modello Standard, comprese alcune "teorie della grande unificazione, " predicono che leptoni e quark si fondono ad alte energie per diventare leptoquark. Questi leptoquark sono proposti nelle teorie che tentano di unificare il forte, forze deboli ed elettromagnetiche.

Tali "unificazioni" non sono insolite in fisica. Elettricità e magnetismo furono notoriamente unificati nel XIX secolo in un'unica forza nota come elettromagnetismo, tramite le eleganti formule matematiche di Maxwell. Nel caso dei leptoquark, si pensa che queste particelle ibride abbiano le proprietà sia dei leptoni che dei quark, così come lo stesso numero di generazioni. Ciò non solo consentirebbe loro di "dividersi" nei due tipi di particelle, ma consentirebbe anche ai leptoni di trasformarsi in quark e viceversa. Infatti, le anomalie rilevate dall'esperimento LHCb e da Belle e Babar nelle misurazioni delle proprietà dei mesoni B potrebbero essere spiegate anche dall'esistenza di queste ipotizzate particelle.

Se esistono leptoquark, sarebbero molto pesanti e si trasformerebbero rapidamente, o "decadimento, " in leptoni o quark più stabili. Precedenti esperimenti all'SPS e al LEP al CERN, HERA al DESY e il Tevatron al Fermilab hanno esaminato i decadimenti delle particelle di prima e seconda generazione. Le ricerche di leptoquark di terza generazione (LQ3) sono state eseguite per la prima volta al Tevatron, e sono ora in fase di esplorazione al Large Hadron Collider (LHC).

Poiché i leptoquark si trasformerebbero in un leptone e in un quark, I ricercatori di LHC cercano firme rivelatrici nelle distribuzioni di questi "prodotti di decadimento". Nel caso dei leptoquark di terza generazione, il leptone potrebbe essere un tau o un neutrino tau mentre il quark potrebbe essere un top o un bottom.

In un recente documento, utilizzando i dati raccolti nel 2016 a un'energia di collisione di 13 TeV, la collaborazione Compact Muon Solenoid (CMS) al LHC ha presentato i risultati delle ricerche sui leptoquark di terza generazione, dove ogni LQ3 prodotto nelle collisioni inizialmente trasformato in una coppia tau-top.

Poiché i collisori producono particelle e antiparticelle allo stesso tempo, CMS ha specificamente cercato la presenza di coppie leptoquark-antileptoquark in eventi di collisione contenenti i resti di un quark top, un quark antitop, un leptone tau e un leptone antitau. Ulteriore, perché i leptoquark non sono mai stati visti prima e le loro proprietà rimangono un mistero, i fisici si affidano a calcoli sofisticati basati su parametri noti per cercarli. Questi parametri includono l'energia delle collisioni e i livelli di fondo previsti, vincolato dai possibili valori per la massa e lo spin dell'ipotetica particella. Attraverso questi calcoli, gli scienziati possono stimare quanti leptoquark potrebbero essere stati prodotti in un particolare set di dati di collisioni protone-protone e quanti potrebbero essere stati trasformati nei prodotti finali che i loro rivelatori possono cercare.

"I leptoquark sono diventati una delle idee più allettanti per estendere i nostri calcoli, in quanto consentono di spiegare diverse anomalie osservate. Al LHC stiamo facendo ogni sforzo per provare o escludere la loro esistenza, "dice Roman Kogler, un fisico su CMS che ha lavorato a questa ricerca.

Dopo aver setacciato gli eventi di collisione alla ricerca di caratteristiche specifiche, CMS non ha visto eccessi nei dati che potrebbero indicare l'esistenza di leptoquark di terza generazione. Gli scienziati sono stati quindi in grado di concludere che qualsiasi LQ3 che si trasforma esclusivamente in una coppia top-tau dovrebbe avere una massa di almeno 900 GeV, o circa cinque volte più pesante del quark top, la particella più pesante che abbiamo osservato.

I limiti posti da CMS sulla massa dei leptoquark di terza generazione sono finora i più stretti. CMS ha anche cercato leptoquark di terza generazione che si trasformano in un leptone tau e in un quark bottom, concludendo che tali leptoquark dovrebbero avere una massa di almeno 740 GeV. Però, è importante notare che questo risultato deriva dall'esame di solo una frazione dei dati di LHC a 13 TeV, dal 2016. Ulteriori ricerche da CMS e ATLAS che tengono conto dei dati del 2017 e della prossima corsa del 2018 garantiranno che LHC possa continuare a testare teorie sulla natura fondamentale del nostro universo.