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Lexikon der Astronomie: Leptoquarks

Leptoquarks sind gebundene Zustände aus Leptonen und Quarks. Solche Teilchen wurden bislang nicht gesichert in Experimenten nachgewiesen. Am HERA-Collider des deutschen Teilchenbeschleunigers DESY wurden Protonen und Elektronen (auch Positronen) mit hohen Energien auf Kollisionskurs gebracht. Es ist nicht klar, ob bei der Fusion von Elektronen mit Quarks Leptoquarks mit einer Masse um 200 GeV entstanden sind.

Ohne Leptoquarks keine Menschen

Es muss allerdings Leptoquarks geben, unsere Existenz ist ein Beleg dafür! In einer frühen Phase des Universums, am Ende der GUT-Ära, zerfielen besonders schwere Leptoquarks in Quarks und Leptonen. Dabei bildete sich eine ungleiche Menge an Materie und Antimaterie aus. Als sich die Materie mit der zur Verfügung stehenden Antimaterie zu Gammastrahlung vernichtete, war das Universum strahlungsdominiert. Doch in diesem 'Strahlenmeer' blieb ein kleiner Rest Materie übrig! Diese als Baryogenese bezeichnete Phase lieferte die Saat für die Sterne und Galaxien.

Argumente sind GUT

Dieses Szenario legt zumindest die moderne Physik nahe: Im Rahmen der Großen Vereinheitlichten Theorien (GUT) leiten sich zwölf neue Austauschteilchen ab, die gerade zu besonders schweren Leptoquarks zählen. Es handelt sich um superschwere (etwa 1016 GeV!), elektrisch und schwach geladene sowie farbgeladene Teilchen. Als Vektorbosonen haben sie Spin 1. Man unterscheidet sie in sechs X-Bosonen und sechs Y-Bosonen. X-Bosonen haben 4/3 Elementarladung, Anti-X-Bosonen entsprechend -4/3, Y-Bosonen 1/3 und Anti-Y-Bosonen -1/3 Elementarladung. Auf die 12 Leptoquarks der GUT kommt man, wenn man davon ausgeht, dass jedes X-Boson die Farbladung rot, grün oder blau annehmen kann. Entsprechendes gilt für die Anti-X-Bosonen. Aber auch für die Y- sowie Anti-Y-Bosonen: 3 × 4 = 12.
Die GUT kann gruppentheoretisch im einfachsten Fall als SU(5)-Gruppe beschrieben werden. SU(5) ist gerade das direkte Produkt aus der U(1) der Quantenelektrodynamik, der SU(2) der Schwachen Wechselwirkung und der SU(3) der Quantenchromodynamik. Gemäß den Regeln der Gruppentheorie hat eine SU(n)-Theorie n2 – 1 Erzeugende (Generatoren), die mit den Eichbosonen der Theorie identifiziert werden. 52 – 1 ergibt 24. Die 24 Eichbosonen der GUT setzen sich aus den wohl verifizierten 12 des Standardmodells (ein Photon, drei Weakonen, acht Gluonen) und eben den 12 weiteren X- und Y-Bosonen zusammen. In der GUT-Ära waren alle 24 Austauschteilchen ununterscheidbar und konstituierten gerade die X-Kraft.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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