A matéria é feita de partículas elementares, e o modelo padrão da física de partículas afirma que essas partículas ocorrem em duas famílias:léptons (como elétrons e neutrinos) e quarks (que constituem prótons e nêutrons). No modelo padrão, essas duas famílias são totalmente distintas, com diferentes cargas elétricas e números quânticos, mas têm o mesmo número de gerações (veja a imagem abaixo).

Contudo, algumas teorias que vão além do modelo padrão, incluindo certas "grandes teorias unificadas, "prevêem que léptons e quarks se fundem em altas energias para se tornarem leptoquarks. Esses leptoquarks são propostos em teorias que tentam unificar os fortes, forças fracas e eletromagnéticas.

Essas "unificações" não são incomuns na física. Eletricidade e magnetismo foram unificados no século 19 em uma única força conhecida como eletromagnetismo, através das elegantes fórmulas matemáticas de Maxwell. No caso de leptoquarks, acredita-se que essas partículas híbridas tenham as propriedades de léptons e quarks, bem como o mesmo número de gerações. Isso não apenas permitiria que eles se "dividissem" em dois tipos de partículas, mas também permitiria que os léptons se transformassem em quarks e vice-versa. De fato, anomalias detectadas pelo experimento LHCb, bem como por Belle e Babar em medições das propriedades dos mésons B também poderiam ser explicadas pela existência dessas partículas hipotéticas.

Se existirem leptoquarks, eles seriam muito pesados ​​e se transformariam rapidamente, ou "decadência, "em léptons ou quarks mais estáveis. Experimentos anteriores no SPS e LEP no CERN, O HERA no DESY e o Tevatron no Fermilab analisaram os decaimentos nas partículas de primeira e segunda geração. As pesquisas por leptoquarks de terceira geração (LQ3) foram realizadas pela primeira vez no Tevatron, e agora estão sendo explorados no Large Hadron Collider (LHC).

Uma vez que o leptoquarks se transformaria em um lepton e um quark, Os pesquisadores do LHC procuram por assinaturas reveladoras nas distribuições desses "produtos de decomposição". No caso de leptoquarks de terceira geração, o lepton pode ser um tau ou um neutrino de tau, enquanto o quark pode ser um superior ou inferior.

Em um artigo recente, usando dados coletados em 2016 em uma energia de colisão de 13 TeV, a colaboração Compact Muon Solenoid (CMS) no LHC apresentou os resultados das pesquisas por leptoquarks de terceira geração, onde cada LQ3 produzido nas colisões inicialmente se transformava em um par tau-top.

Como os colisores produzem partículas e antipartículas ao mesmo tempo, O CMS pesquisou especificamente a presença de pares leptoquark-antileptoquark em eventos de colisão contendo os restos de um quark top, um quark antitop, um tau lepton e um antitau lepton. Avançar, porque leptoquarks nunca foram vistos antes e suas propriedades permanecem um mistério, os físicos contam com cálculos sofisticados baseados em parâmetros conhecidos para procurá-los. Esses parâmetros incluem a energia das colisões e níveis de fundo esperados, restringido pelos valores possíveis para a massa e spin da partícula hipotética. Por meio desses cálculos, os cientistas podem estimar quantos leptoquarks podem ter sido produzidos em um determinado conjunto de dados de colisões próton-próton e quantos podem ter sido transformados nos produtos finais que seus detectores podem procurar.

"Leptoquarks se tornaram uma das idéias mais tentadoras para estender nossos cálculos, pois permitem explicar várias anomalias observadas. No LHC, estamos fazendo todos os esforços para provar ou excluir sua existência, "diz Roman Kogler, um físico do CMS que trabalhou nessa pesquisa.

Depois de analisar eventos de colisão em busca de características específicas, O CMS não viu nenhum excesso nos dados que pudesse apontar para a existência de leptoquarks de terceira geração. Os cientistas foram, portanto, capazes de concluir que qualquer LQ3 que se transforma exclusivamente em um par top-tau precisaria ter pelo menos 900 GeV em massa, ou cerca de cinco vezes mais pesado que o quark top, a partícula mais pesada que observamos.

Os limites impostos pelo CMS à massa de leptoquarks de terceira geração são os mais rígidos até agora. O CMS também pesquisou leptoquarks de terceira geração que se transformam em tau lepton e em quark bottom, concluindo que tais leptoquarks precisariam ter pelo menos 740 GeV em massa. Contudo, é importante notar que este resultado vem do exame de apenas uma fração dos dados do LHC a 13 TeV, de 2016. Outras pesquisas do CMS e ATLAS que levam em consideração dados de 2017, bem como a próxima execução de 2018, garantirão que o LHC possa continuar a testar teorias sobre a natureza fundamental de nosso universo.