Преон

В физике элементарных частиц преоны — это гипотетические точечные частицы , рассматриваемые как подкомпоненты 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, и прямых экспериментальных доказательств составности лептонов и кварков не обнаружено. Преоны бывают четырех разновидностей: плюс, антиплюс, ноль и антиноль. W-бозоны имеют шесть преонов, а кварки и лептоны — только три.

В адронном секторе некоторые эффекты считаются аномалиями в рамках Стандартной модели. Например, загадка спина протона , эффект ЭМС , распределения электрических зарядов внутри нуклонов , обнаруженные Робертом Хофштадтером в 1956 году ^[2]^[3] и специальные матричные элементы CKM .

Термин «преон» был введен в обращение в первую очередь для объяснения двух семейств спин -⁠1/2⁠ фермионы: кварки и лептоны. Более поздние преонные модели также учитывают бозоны со спином 1 и по-прежнему называются «преонами». Каждая из преонных моделей постулирует набор из меньшего количества фундаментальных частиц, чем в Стандартной модели, вместе с правилами, регулирующими, как эти фундаментальные частицы объединяются и взаимодействуют. Основываясь на этих правилах, преонные модели пытаются объяснить Стандартную модель, часто предсказывая небольшие расхождения с этой моделью и порождая новые частицы и определенные явления, которые не принадлежат Стандартной модели.

Цели преонных моделей

Исследования Preon мотивированы желанием:

Сократить большое количество частиц, многие из которых отличаются только зарядом, до меньшего количества более фундаментальных частиц. Например, нижний кварк и верхний кварк почти идентичны, за исключением заряда и небольшой разницы в массе; исследование преонов мотивируется объяснением того, что кварки состоят из похожих преонов, с инкрементальными различиями, учитывающими заряд. Надежда состоит в том, чтобы воспроизвести редукционистскую стратегию, которая сработала для периодической таблицы элементов и кварковой модели мезонов и барионов.
Объясните причину существования ровно трех поколений фермионов .
Рассчитать параметры, которые в настоящее время не объясняются Стандартной моделью, такие как массы фундаментальных фермионов СМ, их электрические заряды и цветовые заряды ; по сути, сократить количество требуемых моделью экспериментальных входных параметров по сравнению с количеством, требуемым Стандартной моделью.
Объясните причины очень большого диапазона массы-энергии, наблюдаемого в предположительно фундаментальных частицах, от электронного нейтрино до верхнего кварка .
Предоставьте альтернативные объяснения нарушения электрослабой симметрии без привлечения поля Хиггса , которое само по себе, возможно, нуждается в суперсимметрии для исправления теоретических проблем, связанных с полем Хиггса; ^{[ какие? ]} (кроме того, предложенные до сих пор суперсимметричные теории имеют свои собственные теоретические и наблюдательные проблемы ^{[ какие? ]} ).
Объясните осцилляции нейтрино и, по-видимому, уникальный механизм массы .
Делайте новые, неповторяющиеся предсказания, например, предлагайте кандидатов на роль холодной темной материи .
Объясните, почему существует только наблюдаемое разнообразие видов частиц, и предложите модель с причинами создания только этих наблюдаемых частиц (поскольку предсказание ненаблюдаемых частиц является проблемой для многих современных моделей, таких как суперсимметрия ).

Фон

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 ad hoc системе иерархий, не совсем похожей на способ, которым таксономия группировала животных на основе их физических характеристик. Неудивительно, что огромное количество частиц было названо « зоопарком частиц ».

Стандартная модель, которая в настоящее время является преобладающей моделью физики элементарных частиц, значительно упростила эту картину, показав, что большинство наблюдаемых частиц были мезонами , которые являются комбинациями двух кварков , или барионами , которые являются комбинациями трех кварков, плюс горстка других частиц. Частицы, наблюдаемые во все более мощных ускорителях, были, согласно теории, обычно не более чем комбинациями этих кварков.

Сравнение кварков, лептонов и бозонов

В рамках Стандартной модели существует несколько классов частиц . Один из них, кварки , имеет шесть типов, в каждом из которых есть три разновидности (названные « цветами », красный, зеленый и синий, что дало начало квантовой хромодинамике ).

Кроме того, существует шесть различных типов того, что известно как лептоны . Из этих шести лептонов есть три заряженных частицы : электрон , мюон и тау . Нейтрино включают в себя 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 открытое пространство, оставленное для гравитона . Почти все эти частицы существуют в «левосторонних» и «правосторонних» версиях (см. хиральность ). Кварки, лептоны и W-бозоны имеют античастицы с противоположным электрическим зарядом (или, в случае нейтрино, противоположным слабым изоспином ).

Нерешенные проблемы Стандартной модели

Стандартная модель также имеет ряд проблем, которые не были полностью 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 последовательную теорию на их основе потерпели неудачу.

Калман ^[4] утверждает, что, согласно концепции атомизма , фундаментальные строительные блоки природы — это неделимые частицы материи, которые не генерируются и неразрушимы. Ни лептоны, ни кварки не являются по-настоящему неразрушимыми, поскольку некоторые лептоны могут распадаться на другие лептоны, некоторые кварки на другие кварки. Таким образом, по фундаментальным основаниям, кварки сами по себе не являются фундаментальными строительными блоками, но должны состоять из других, фундаментальных величин — преонов. Хотя масса каждой последующей частицы следует определенным закономерностям, предсказания массы покоя большинства частиц не могут быть сделаны точно, 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 в целом предсказывает равное количество материи и антиматерии во Вселенной. Было предпринято несколько попыток «исправить» это с помощью различных механизмов, но на сегодняшний день ни одна из них не получила широкой поддержки. Аналогично, базовые адаптации Модели предполагают наличие распада протона , который пока не наблюдался.

Мотивация для преонных моделей

Было предложено несколько моделей в попытке дать более фундаментальное объяснение результатам экспериментальной и теоретической физики элементарных частиц, используя такие названия, как « партон » или «преон» для гипотетических основных компонентов частиц.

Преонная теория мотивирована желанием повторить в физике элементарных частиц достижения периодической таблицы в химии, которая сократила 94 природных элемента до комбинаций всего трех строительных блоков (протон, нейтрон, электрон). Аналогичным образом, Стандартная модель позже организовала «зоопарк частиц» адронов, сократив несколько десятков частиц до комбинаций на более фундаментальном уровне (сначала) всего трех кварков , тем самым сократив огромное количество произвольных констант в физике элементарных частиц середины двадцатого века до Стандартной модели и квантовой хромодинамики .

Однако конкретная преонная модель, обсуждаемая ниже, до сих пор не вызвала особого интереса среди сообщества физиков элементарных частиц, отчасти потому, что до сих пор не получено никаких доказательств в экспериментах на коллайдерах, подтверждающих, что фермионы Стандартной модели являются составными.

Попытки

Ряд физиков пытались разработать теорию «прекварков» (от которых произошло название преон ) в попытке теоретически обосновать многие части Стандартной модели, которые известны только через экспериментальные данные. Другие названия, которые использовались для этих предлагаемых фундаментальных частиц (или частиц, промежуточных между наиболее фундаментальными частицами и наблюдаемыми в Стандартной модели), включают прекварки , субкварки , маоны , ^[6] альфоны , квинки , ришоны , твидлы , гелоны , гаплоны , Y-частицы , ^[7] и примоны . ^[8] Преон является ведущим названием в физическом сообществе.

Попытки разработать подструктуру датируются по крайней мере 1974 годом, статьей Пати и Салама в Physical Review . ^[9] Другие попытки включают статью 1977 года Теразавы, Чикашиге и Акамы, ^[10] похожие, но независимые статьи 1979 года Неемана, ^[11] Харари, ^[12] и Шупе, ^[13] статью 1981 года Фрицша и Мандельбаума, ^[14] и книгу 1992 года Д'Соузы и Калмана. ^[1] Ни одна из них не получила широкого признания в мире физики. Однако в недавней работе ^[15] де Соуза показал, что его модель хорошо описывает все слабые распады адронов в соответствии с правилами отбора, продиктованными квантовым числом, полученным из его модели составности. В его модели лептоны являются элементарными частицами, и каждый кварк состоит из двух примонов , и, таким образом, все кварки описываются четырьмя примонами . Таким образом, нет необходимости в бозоне Хиггса Стандартной модели, и масса каждого кварка выводится из взаимодействия между каждой парой примонов посредством трех бозонов, подобных Хиггсу.

В своей лекции по случаю вручения Нобелевской премии 1989 года Ганс Демельт описал самую фундаментальную элементарную частицу с определяемыми свойствами, которую он назвал космосом , как вероятный результат длинной, но конечной цепочки все более элементарных частиц. ^[16]

Композитный Хиггс

Многие преонные модели либо не учитывают бозон Хиггса , либо исключают его, и предполагают, что электрослабая симметрия нарушается не скалярным полем Хиггса, а составными преонами. ^[17] Например, преонная теория Фредрикссона не нуждается в бозоне Хиггса и объясняет электрослабое нарушение как перегруппировку преонов, а не как поле, опосредованное Хиггсом. Фактически, преонная модель Фредрикссона и модель де Соузы предсказывают, что бозон Хиггса Стандартной модели не существует.

модель Ришон

Модель ришона (RM) является самой ранней попыткой (1979) разработать модель преона для объяснения явления, появляющегося в Стандартной модели (SM) физики элементарных частиц . Она была впервые разработана Хаимом Харари и Майклом А. Шупе (независимо друг от друга), а затем расширена Харари и его тогдашним студентом Натаном Сейбергом . ^[18]

Модель имеет два вида фундаментальных частиц, называемых ришонами (ראשונים) (что означает «первый» на иврите ). Это T («третий», поскольку имеет электрический заряд ⅓ e , или Tohu (תוהו), что означает «хаос» ) и V («исчезает», поскольку он электрически нейтрален, или Vohu, что означает «пустота»). Все лептоны и все ароматы кварков являются упорядоченными триплетами по три ришона. 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 сложных структурах.

Критика

Парадокс массы

Одна преонная модель началась как внутренняя статья в Коллайдерном детекторе в Фермилабе (CDF) около 1994 года. Статья была написана после того, как в период работы 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 (зависящей от модели) массы покоя ап-кварка и в 400 000 раз больше массы покоя электрона.

Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что и, таким образом, все, что заключено в ящик, меньший, чем, будет иметь неопределенность импульса пропорционально большую. Таким образом, преонная модель предлагала частицы, меньшие, чем элементарные частицы, которые они составляют, поскольку неопределенность импульса должна быть больше, чем сами частицы. $\operatorname {\Delta } x\cdot \operatorname {\Delta } p\geq {\tfrac {1}{2}}\hbar$ $\operatorname {\Delta } x$ $\operatorname {\Delta } p$

Итак, преонная модель представляет собой массовый парадокс: как кварки или электроны могли бы состоять из более мелких частиц, которые имели бы на много порядков большую массу-энергию, возникающую из их огромных импульсов? Один из способов разрешения этого парадокса — постулировать большую силу связи между преонами, которая отменяет их массу-энергию. ^{[ необходима цитата ]}

Противоречия с наблюдаемой физикой

Преонные модели предлагают дополнительные ненаблюдаемые силы или динамику для учета наблюдаемых свойств элементарных частиц, которые могут иметь последствия, противоречащие наблюдению. Например, теперь, когда наблюдение LHC бозона Хиггса подтверждено, наблюдение противоречит предсказаниям многих преонных моделей, которые его исключали. ^{[ необходима цитата ]}

Преонные теории требуют, чтобы кварки и лептоны имели конечный размер. Возможно, что Большой адронный коллайдер будет наблюдать это после того, как его модернизируют до более высоких энергий. ^{[ необходима цитата ]}

В популярной культуре

В переиздании/редактировании 1948 года своего романа 1930 года Skylark Three , EE Smith постулировал ряд «субэлектронов первого и второго типа», причем последние были фундаментальными частицами, связанными с силой гравитации. Хотя это могло и не быть элементом оригинального романа (научная основа некоторых других романов серии была существенно пересмотрена из-за дополнительных восемнадцати лет научного развития), даже отредактированная публикация может быть первым или одним из первых упоминаний о возможности того, что электроны не являются фундаментальными частицами.
В романизированной версии фильма 1982 года « Звездный путь 2: Гнев Хана », написанной Вондой Макинтайр , двое из команды проекта Genesis доктора Кэрол Маркус, Вэнс Мэдисон и Делвин Марч, изучали субэлементарные частицы, которые они назвали «буджумами» и «снарками», в области, которую они в шутку называют «физикой детского сада», потому что она ниже «элементарной» (аналогия со школьным уровнем).
В романе Джеймса П. Хогана 1982 года «Путешествие из прошлого» обсуждаются преоны (называемые твидлами ), физика которых стала центральной частью сюжета.
В VR-игре Blade and Sorcery 2018 года раскрывается, что преонная звезда является источником энергии, питающим магию в мире игры, а ее близкий орбитальный проход в течение 10 000 лет является ключевым фактором сюжета.
В видеоигре Risk of Rain 2 2020 года один из предметов в игре называется «преонный аккумулятор», хотя это лишь отсылка к названию.

Смотрите также

Technicolor (физика) – Гипотетическая модель, посредством которой W- и Z-бозоны приобретают массу
Преонная звезда – Гипотетические типы звезд
Преонно-вырожденная материя – Тип плотной экзотической материи в физике
Модель Ришона – преонная модель физики субкварковых частиц

Ссылки

^ ab D'Souza, IA; Kalman, CS (1992). Преоны: модели лептонов, кварков и калибровочных бозонов как составных объектов . World Scientific . ISBN 978-981-02-1019-9.
↑ Хофштадтер, Роберт (1 июля 1956 г.). «Рассеяние электронов и структура ядра». Reviews of Modern Physics . 28 (3): 214–254. Bibcode : 1956RvMP...28..214H. doi : 10.1103/RevModPhys.28.214.
^ Hofstadter, R.; Bumiller, F.; Yearian, MR (1 апреля 1958 г.). "Электромагнитная структура протона и нейтрона" (PDF) . Reviews of Modern Physics . 30 (2): 482–497. Bibcode : 1958RvMP...30..482H. doi : 10.1103/RevModPhys.30.482. Архивировано (PDF) из оригинала 2018-02-23.
^ Kalman, CS (2005). «Почему кварки не могут быть фундаментальными частицами». Nuclear Physics B: Proceedings Supplements . 142 : 235–237. arXiv : hep-ph/0411313 . Bibcode : 2005NuPhS.142..235K. doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2005.01.042. S2CID 119394495.
^ de Souza, Mario Everaldo (2010). «Расчет почти всех уровней энергии барионов». Статьи по физике . 3 : 030003–1. doi : 10.4279/PIP.030003 .
^ Овербай, Д. (5 декабря 2006 г.). «Китай стремится играть важную роль в физике элементарных частиц». The New York Times . Получено 12 сентября 2011 г.
^ Ершов, ВН (2005). "Равновесные конфигурации триполярных зарядов". Few-Body Systems . 37 (1–2): 79–106. arXiv : physics/0609185 . Bibcode :2005FBS....37...79Y. doi :10.1007/s00601-004-0070-2. S2CID 119474883.
^ де Соуза, М. Э. (2005). «Конечное разделение материи». Scientia Plena . 1 (4): 83.
^ Пати, Дж. К.; Салам, А. (1974). «Число лептонов как четвертый «цвет»» (PDF) . Physical Review D. 10 ( 1): 275–289. Bibcode : 1974PhRvD..10..275P. doi : 10.1103/PhysRevD.10.275. S2CID 17349483. Архивировано из оригинала (PDF) 2019-02-20.
Исправление: Pati, JC; Salam, A. (1975). "Исправление: число лептонов как четвертый "цвет"". Physical Review D . 11 (3): 703. Bibcode :1975PhRvD..11..703P. doi : 10.1103/PhysRevD.11.703.2 .
^ Terazawa, H.; Chikashige, Y.; Akama, K. (1977). «Единая модель типа Намбу-Йона-Лазинио для всех элементарных частиц». Physical Review D. 15 ( 2): 480–487. Bibcode :1977PhRvD..15..480T. doi :10.1103/PhysRevD.15.480.
^ Ne'eman, Y. (1979). "Неприводимая калибровочная теория консолидированной модели Вайнберга-Салама". Physics Letters B. 81 ( 2): 190–194. Bibcode :1979PhLB...81..190N. doi :10.1016/0370-2693(79)90521-5. OSTI 6534180.
^ Харари, Х. (1979). "Схематическая модель кварков и лептонов" (PDF) . Physics Letters B. 86 ( 1): 83–86. Bibcode :1979PhLB...86...83H. doi :10.1016/0370-2693(79)90626-9. OSTI 1447265.
^ Shupe, MA (1979). «Составная модель лептонов и кварков». Physics Letters B. 86 ( 1): 87–92. Bibcode :1979PhLB...86...87S. doi :10.1016/0370-2693(79)90627-0.
^ Фрицш, Х.; Мандельбаум, Г. (1981). «Слабые взаимодействия как проявления субструктуры лептонов и кварков». Physics Letters B. 102 ( 5): 319. Bibcode : 1981PhLB..102..319F. doi : 10.1016/0370-2693(81)90626-2.
^ de Souza, ME (2008). «Слабые распады адронов раскрывают составность кварков». Scientia Plena . 4 (6): 064801–1.
^ Демельт, Х. Г. (1989). «Эксперименты с изолированной субатомной частицей в состоянии покоя». Нобелевская лекция. Нобелевский фонд .См. также ссылки в нем.
^ Дунь, Ж.-Ж.; Фредрикссон, С.; Ханссон, Дж.; Предацци, Э. (1997). «Боль по Хиггсу? Возьми преон!». arXiv : hep-ph/9709227 .
^ Harari, Haim; Seiberg, Nathan (1982). "Модель Ришона" (PDF) . Nuclear Physics B . 204 (1). North-Holland Publishing: 141–167. Bibcode :1982NuPhB.204..141H. doi :10.1016/0550-3213(82)90426-6. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-10-07 . Получено 2018-06-02 .

Дальнейшее чтение

Болл, П. (2007). «Расщепление кварка». Nature . doi :10.1038/news.2007.292.
Пиччони, Роберт (07.01.2013). «Мы уже достигли дна?». guidetothecosmos.com . информационный бюллетень.— редакционная статья о преонах