В физике элементарных частиц преоны — это гипотетические точечные частицы , рассматриваемые как субкомпоненты кварков и лептонов . [1] Это слово было придумано Джогешем Пати и Абдусом Саламом в 1974 году. Интерес к преонным моделям достиг пика в 1980-х годах, но замедлился, поскольку Стандартная модель физики элементарных частиц продолжает в основном успешно описывать физику, а прямых экспериментальных доказательств существования лептона не существует. и была обнаружена кварковая составность. Преоны бывают четырех разновидностей: плюс, антиплюс, ноль и антиноль. W-бозоны имеют шесть преонов, а кварки и лептоны — только три.
В адроном секторе некоторые эффекты считаются аномалиями Стандартной модели. Например, загадка спина протона , эффект ЭМС , распределения электрических зарядов внутри нуклонов , обнаруженные Хофштадтером в 1956 году, [2] [3] и специальные матричные элементы CKM .
Термин «преон» был придуман прежде всего для объяснения двух семейств спин-1/2фермионы: кварки и лептоны. Более поздние модели преонов также учитывают бозоны со спином 1 и до сих пор называются «преонами». Каждая из преонных моделей постулирует набор из меньшего количества фундаментальных частиц, чем в Стандартной модели, а также правила, управляющие тем, как эти фундаментальные частицы объединяются и взаимодействуют. Основываясь на этих правилах, модели преонов пытаются объяснить Стандартную модель , часто предсказывая небольшие расхождения с этой моделью и генерируя новые частицы и определенные явления, которые не принадлежат Стандартной модели.
Преоновые исследования мотивированы желанием:
До того, как в 1970-х годах была разработана Стандартная модель (ключевые элементы Стандартной модели, известные как кварки , были предложены Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом в 1964 году), физики наблюдали сотни различных видов частиц в ускорителях частиц . Они были организованы в отношения по их физическим свойствам в значительной степени специальной системе иерархий, мало чем отличающейся от того, как систематика группировала животных на основе их физических особенностей. Неудивительно, что огромное количество частиц было названо « зоопарком частиц ».
Стандартная модель, которая сейчас является преобладающей моделью физики элементарных частиц, резко упростила эту картину, показав, что большинство наблюдаемых частиц были мезонами , которые представляют собой комбинации двух кварков , или барионами , которые представляют собой комбинации трех кварков плюс горстка других. частицы. Согласно теории, частицы, наблюдаемые во все более мощных ускорителях, обычно представляли собой не что иное, как комбинации этих кварков.
В рамках Стандартной модели существует несколько классов частиц . Один из них, кварки , имеет шесть типов, из которых по три разновидности в каждом (названные « цветами »: красный, зеленый и синий, что дает начало квантовой хромодинамике ).
Кроме того, существует шесть различных типов так называемых лептонов . Из этих шести лептонов есть три заряженные частицы : электрон , мюон и тау . Нейтрино составляют остальные три лептона, и каждое нейтрино образует пару с одним из трех заряженных лептонов .
В Стандартной модели также есть бозоны , включая фотоны и глюоны ; W + , W− и Z-бозоны ; и бозон Хиггса ; и освободилось место для гравитона . Почти все эти частицы бывают «левосторонними» и «правосторонними» версиями (см. хиральность ). Кварки, лептоны и W-бозон имеют античастицы с противоположным электрическим зарядом (или, в случае нейтрино, с противоположным слабым изоспином ).
Стандартная модель также имеет ряд проблем, которые до конца не решены. В частности, до сих пор не предложено ни одной успешной теории гравитации , основанной на теории частиц. Хотя Модель предполагает существование гравитона, все попытки создать на их основе последовательную теорию потерпели неудачу.
Калман [4] утверждает, что, согласно концепции атомизма , фундаментальные строительные блоки природы представляют собой неделимые частицы материи, которые не порождаются и не разрушаются. Ни лептоны, ни кварки не являются по-настоящему неразрушимыми, поскольку некоторые лептоны могут распадаться на другие лептоны, а некоторые кварки — на другие кварки. Таким образом, с фундаментальной точки зрения кварки сами по себе не являются фундаментальными строительными блоками, а должны состоять из других, фундаментальных величин — преонов. Хотя масса каждой последующей частицы подчиняется определенным закономерностям, невозможно точно предсказать массу покоя большинства частиц, за исключением масс почти всех барионов, которые были хорошо смоделированы де Соузой (2010). [5]
Стандартная модель также имеет проблемы с предсказанием крупномасштабной структуры Вселенной. Например, СМ обычно предсказывает равное количество материи и антиматерии во Вселенной. Был предпринят ряд попыток «исправить» это с помощью различных механизмов, но на сегодняшний день ни одна из них не получила широкой поддержки. Аналогичным образом, базовые адаптации Модели предполагают наличие распада протона , который пока не наблюдался.
Несколько моделей были предложены в попытке обеспечить более фундаментальное объяснение результатов в экспериментальной и теоретической физике элементарных частиц, используя такие названия, как « партон » или «преон» для гипотетических основных составляющих частиц.
Теория преонов мотивирована желанием воспроизвести в физике элементарных частиц достижения периодической таблицы в химии, которая свела 94 встречающихся в природе элемента к комбинациям всего из трех строительных блоков (протон, нейтрон, электрон). Аналогичным образом, Стандартная модель позже организовала «зоопарк частиц» адронов , сводя несколько десятков частиц к комбинациям на более фундаментальном уровне, состоящим (на первых порах) всего из трех кварков , тем самым уменьшая огромное количество произвольных констант в частицах середины двадцатого века. физика до появления Стандартной модели и квантовой хромодинамики .
Однако конкретная преонная модель, обсуждаемая ниже, на сегодняшний день вызвала сравнительно небольшой интерес среди сообщества физики элементарных частиц, отчасти потому, что до сих пор в экспериментах на коллайдере не было получено доказательств того, что фермионы Стандартной модели являются составными.
Ряд физиков пытались разработать теорию «прекварков» (от которой происходит название преон ), пытаясь теоретически обосновать многие части Стандартной модели, которые известны только благодаря экспериментальным данным. Другие названия, которые использовались для этих предложенных фундаментальных частиц (или частиц, промежуточных между наиболее фундаментальными частицами и теми, которые наблюдаются в Стандартной модели), включают прекварки , субкварки , маоны , [6] альфоны , квинки , ришоны , твидлы , гелоны , гаплоны , Y-частицы , [7] и примоны . [8] Преон – ведущее имя в физическом сообществе.
Попытки разработать подструктуру датируются, по крайней мере, еще 1974 годом, когда появилась статья Пати и Салама в журнале Physical Review . [9] Другие попытки включают статью Терадзавы, Чикасиге и Акамы 1977 года, [10] аналогичные, но независимые статьи Неемана 1979 года, [11] Харари, [12] и Шупе, [13] статью 1981 года Фрич и Мандельбаум, [14] и книга Д'Сузы и Калмана 1992 года. [1] Ни одно из них не получило широкого признания в мире физики. Однако в недавней работе [15] де Соуза показал, что его модель хорошо описывает все слабые распады адронов согласно правилам отбора, диктуемым квантовым числом, полученным из его модели составности. В его модели лептоны являются элементарными частицами, а каждый кварк состоит из двух примонов , и, таким образом, все кварки описываются четырьмя примонами . Следовательно, нет необходимости в бозоне Хиггса Стандартной модели, и каждая масса кварка получается в результате взаимодействия между каждой парой примонов посредством трех бозонов Хиггса.
В своей лекции, посвященной вручению Нобелевской премии 1989 года, Ганс Демельт описал наиболее фундаментальную элементарную частицу с определяемыми свойствами, которую он назвал космоном , как вероятный результат длинной, но конечной цепочки все более и более элементарных частиц. [16]
Многие модели преонов либо не учитывают бозон Хиггса , либо исключают его и предполагают, что электрослабая симметрия нарушается не скалярным полем Хиггса, а составными преонами. [17] Например, теория преонов Фредрикссона не нуждается в бозоне Хиггса и объясняет электрослабое разрушение как перегруппировку преонов, а не как поле, опосредованное Хиггсом. Фактически, преонная модель Фредрикссона и модель де Соузы предсказывают, что бозона Хиггса Стандартной модели не существует.
Модель Ришона (РМ) — это самая ранняя попытка (1979 г.) разработать преонную модель для объяснения явления, появляющегося в Стандартной модели (СМ) физики элементарных частиц . Впервые он был разработан Хаимом Харари и Майклом А. Шупе (независимо друг от друга), а позже расширен Харари и его тогдашним учеником Натаном Зайбергом . [18]
Модель имеет два вида фундаментальных частиц, называемых ришонами (ראשונים) (что на иврите означает «Первый» ). Это Т («Третий», поскольку он имеет электрический заряд ⅓ е , или Тоху (תוהו), что означает «Хаос» ) и V («Исчезает», поскольку он электрически нейтрален, или Воху, что означает «пустота»). Все лептоны и все разновидности кварков представляют собой трехришонно упорядоченные тройки. Эти группы из трех ришонов имеют спин -½ .
Модель Ришона иллюстрирует некоторые типичные усилия в этой области. Многие из преонных моделей предполагают, что кажущийся дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной на самом деле иллюзорен, поскольку большие количества антиматерии преонного уровня заключены в более сложные структуры.
Одна преонная модель возникла как внутренняя статья Коллайдерного детектора в Фермилабе (CDF) примерно в 1994 году. Статья была написана после того, как в период 1992–1993 годов был обнаружен неожиданный и необъяснимый избыток струй с энергией выше 200 ГэВ . Однако эксперименты по рассеянию показали, что кварки и лептоны являются «точечными» вплоть до масштабов расстояний менее 10–18 м (или 1 ⁄ 1000 диаметра протона). Неопределенность импульса преона (любой массы), заключенного в ящик такого размера, составляет около 200 ГэВ/c, что в 50 000 раз больше, чем (зависящая от модели) масса покоя ап-кварка , и в 400 000 раз больше, чем масса покоя восходящего кварка. масса покоя электрона.
Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что все, что заключено в коробку меньшего размера, будет иметь неопределенность импульса, пропорционально большую. Таким образом, преонная модель предполагает, что частицы меньше, чем элементарные частицы, которые они составляют, поскольку неопределенность импульса должна быть больше, чем сами частицы.
Таким образом, преонная модель представляет собой массовый парадокс: как могли кварки или электроны состоять из меньших частиц, которые имели бы на много порядков большую массу-энергию, обусловленную их огромными импульсами? Один из способов разрешения этого парадокса — постулировать существование большой силы связи между преонами, которая уравновешивает их массу-энергию. [ нужна цитата ]
Преоновые модели предлагают дополнительные ненаблюдаемые силы или динамику для объяснения наблюдаемых свойств элементарных частиц, которые могут иметь последствия, противоречащие наблюдениям. Например, теперь, когда наблюдение бозона Хиггса на БАКе подтверждено, это наблюдение противоречит предсказаниям многих преонных моделей, которые его исключали. [ нужна цитата ]
Теории преонов требуют, чтобы кварки и лептоны имели конечный размер. Не исключено, что Большой адронный коллайдер будет наблюдать это после того, как его переведут на более высокие энергии. [ нужна цитата ]
