Преон - Preon

В физике элементарных частиц преоны - это точечные частицы , рассматриваемые как субкомпоненты кварков и лептонов . Это слово было придумано Джогешем Пати и Абдусом Саламом в 1974 году. Пик интереса к преонным моделям пришелся на 1980-е годы, но он снизился, поскольку Стандартная модель физики элементарных частиц продолжает описывать физику, в основном успешно, и нет прямых экспериментальных доказательств существования лептона и обнаружена составность кварков. Преоны бывают четырех разновидностей: плюс, анти-плюс, ноль и анти-ноль. W-бозоны имеют 6 преонов, а кварки - только 3.

В адронном секторе некоторые эффекты считаются аномалиями в Стандартной модели . Например, загадка спина протона , эффект EMC , распределение электрических зарядов внутри нуклонов , обнаруженное Хофштадтером в 1956 году, и специальные матричные элементы CKM .

Когда появился термин «преон», он в первую очередь предназначался для объяснения двух семейств фермионов со спином 1/2: кварков и лептонов. Более поздние модели преонов также учитывают бозоны со спином 1 и до сих пор называются «преонами». Каждая из преонных моделей постулирует набор меньшего количества элементарных частиц, чем в Стандартной модели, вместе с правилами, определяющими, как эти элементарные частицы объединяются и взаимодействуют. Основываясь на этих правилах, преонные модели пытаются объяснить Стандартную модель , часто предсказывая небольшие расхождения с этой моделью и генерируя новые частицы и определенные явления, которые не принадлежат Стандартной модели.

Цели преон-моделей

Исследования Preon мотивированы желанием:

• Сократите большое количество частиц, многие из которых различаются только зарядом, до меньшего числа более фундаментальных частиц. Например, электрон и позитрон идентичны, за исключением заряда, и исследования преонов мотивированы объяснением того, что электроны и позитроны состоят из одинаковых преонов с соответствующей разницей, учитывающей заряд. Надежда состоит в том, чтобы воспроизвести редукционистскую стратегию, которая сработала для периодической таблицы элементов .
• Объяснить три поколения из фермионов .
• Рассчитайте параметры, которые в настоящее время не объясняются Стандартной моделью, такие как массы частиц , электрические заряды и цветовые заряды , и уменьшите количество экспериментальных входных параметров, требуемых Стандартной моделью.
• Объясните причины очень больших различий в энергетических массах, наблюдаемых в предположительно фундаментальных частицах, от электронного нейтрино до топ-кварка .
• Предложите альтернативные объяснения нарушения электрослабой симметрии без привлечения поля Хиггса , которое, в свою очередь, возможно, нуждается в суперсимметрии для исправления теоретических проблем, связанных с полем Хиггса. Сама суперсимметрия имеет теоретические проблемы.
• Учет осцилляции и массы нейтрино .
• Делайте новые нетривиальные предсказания, например, кандидатов на холодную темную материю .
• Объясните, почему существует только наблюдаемое разнообразие видов частиц, и дайте 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 Стандартная модель была разработана в 1970-х годах (ключевые элементы Стандартной модели, известные как кварки, были предложены Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом в 1964 году), физики наблюдали сотни различных типов частиц в ускорителях элементарных частиц . Они были организованы во взаимосвязи по их физическим свойствам в рамках в значительной степени специальной системы иерархий, мало чем отличавшейся от того, как таксономия группирует 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, резко упростила эту картину, показав, что большинство наблюдаемых частиц были мезонами , которые представляют собой комбинации двух кварков , или барионов, которые представляют собой комбинации трех кварков и нескольких других кварков. частицы. Согласно теории, частицы, наблюдаемые на все более мощных ускорителях, обычно были не более чем комбинациями этих кварков.

Сравнение кварков, лептонов и бозонов

В Стандартной модели существует несколько классов частиц . Один из них, кварки , имеет шесть типов, из которых существует по три разновидности в каждом (получившие название « цвета », красный, зеленый и синий, что дает начало квантовой хромодинамике ).

Кроме того, существует шесть различных типов лептонов . Из этих шести лептонов есть три заряженные частицы : электрон , мюон и тау . Эти нейтрино включают в себя три других лептонов, и для каждого нейтрино имеется соответствующий член из другого набора из трех лептонов.

В Стандартной модели также есть бозоны , в том числе фотоны ; W ⁺ , W ^- и Z-бозоны ; глюоны и бозон Хиггса ; и открытое пространство осталось для гравитона . Почти все эти частицы бывают «левосторонними» и «правосторонними» (см. Хиральность ). Кварки, лептоны и W-бозон имеют античастицы с противоположным электрическим зарядом.

Нерешенные проблемы со Стандартной моделью

Стандартная модель также имеет ряд проблем, которые не решены полностью. В частности, до сих пор не предложена успешная теория гравитации, основанная на теории частиц. Хотя Модель предполагает существование гравитона, все попытки создать на их основе непротиворечивую теорию потерпели неудачу.

Калман утверждает, что, согласно концепции атомизма, фундаментальные строительные блоки природы - это неделимые частицы материи, которые не генерируются и не разрушаются. Кварки нельзя назвать неразрушимыми, поскольку некоторые из них могут распадаться на другие кварки. Таким образом, по фундаментальным причинам кварки сами по себе не являются фундаментальными строительными блоками, а 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 недавно были очень хорошо описаны моделью де Соуза .

Стандартная модель также имеет проблемы с предсказанием крупномасштабной структуры Вселенной. Например, СМ обычно предсказывает равные количества вещества и антивещества во Вселенной. Было предпринято несколько попыток "исправить" это с помощью различных механизмов, но на сегодняшний день ни один из них не получил широкой поддержки. Точно так же основные адаптации Модели предполагают наличие распада протона , который еще не наблюдался.

Мотивация для моделей preon

Было предложено несколько моделей в попытке обеспечить более фундаментальное объяснение результатов в экспериментальной и теоретической физике элементарных частиц, используя такие имена, как « партон » или «преон» для гипотетических основных составляющих частиц.

Теория Преона мотивирована желанием воспроизвести в физике элементарных частиц достижения периодической таблицы в химии, которая сократила 94 встречающихся в природе элемента до комбинаций всего из трех строительных блоков (протон, нейтрон, электрон). Аналогичным образом Стандартная модель позже организовала «зоопарк частиц» адронов , уменьшив несколько десятков частиц до комбинаций на более фундаментальном уровне (поначалу) всего из трех кварков , что привело к уменьшению огромного количества произвольных констант в частицах середины двадцатого века. физика до Стандартной модели и квантовой хромодинамики .

Однако конкретная преонная модель, обсуждаемая ниже, на сегодняшний день вызвала сравнительно небольшой интерес среди сообщества физиков элементарных частиц, отчасти потому, что до сих пор не было получено в экспериментах на коллайдерах доказательств того, что фермионы Стандартной модели являются составными.

Попытки

Ряд физиков пытались разработать теорию «докварков» (от которой и произошло название преон ), пытаясь теоретически обосновать многие части Стандартной модели, которые известны только из экспериментальных данных. Другие названия , которые были использованы для этих предложенных фундаментальных частиц (или частиц промежуточных между наиболее фундаментальными частицами и наблюдаемыми в стандартной модели) включают prequarks , субкварки , maons , Альфонс , quinks , rishons , tweedles , helons , haplons , Y-частицу , и примоны . Преон - ведущее имя в сообществе физиков.

Попытки разработать субструктуру датируются, по крайней мере, 1974 годом, когда появилась статья Пати и Салама в Physical Review . Другие попытки включают в себя статью Теразавы, Чикасиге и Акамы 1977 года, похожие, но независимые, статьи 1979 года Неэмана, Харари и Шупе, статью 1981 года Фрица и Мандельбаума и книгу Д'Сузы и Калмана 1992 года. Ни один из них не получил широкого признания в мире физики. Однако в недавней работе 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 . Следовательно, нет необходимости в бозоне Хиггса Стандартной модели, и масса каждого кварка получается из взаимодействия между каждой парой примонов с помощью трех бозонов типа Хиггса.

В своей лекции о вручении Нобелевской премии 1989 года Ханс Демельт описал наиболее фундаментальную элементарную частицу с определенными свойствами, которую он назвал космоном , как вероятный конечный результат длинной, но конечной цепочки все более и более элементарных частиц.

Составной Хиггс

Многие модели преонов либо не учитывают бозон Хиггса, либо исключают его, и предполагают, что электрослабая симметрия нарушается не скалярным полем Хиггса, а составными преонами. Например, теория преонов Фредрикссона не нуждается в бозоне Хиггса и объясняет электрослабое нарушение как перегруппировку преонов, а не как поле, опосредованное Хиггсом. Фактически, модель преонов Фредрикссона и модель де Соуза предсказывают, что стандартной модели бозона Хиггса не существует.

Ришон модель

Модель Ришона (RM) - 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 затем расширен Харари и его тогдашним учеником Натаном Зайбергом .

В модели есть два типа элементарных частиц, называемых ришонами (что на иврите означает «первичные» ). Это Т («Третий», поскольку он имеет электрический заряд  e , или Тоху, что означает «несформированный» ) и V («Исчезает», поскольку он электрически нейтрален, или Воху, что означает «пустота»). Все лептоны и все ароматы из кварков являются три-Ришон упорядоченных триплетов. Эти группы из трех ришонов имеют спин 1/2 .

Модель Ришона иллюстрирует некоторые типичные усилия в этой области. Многие из преонных моделей предполагают, что видимый дисбаланс материи и антивещества во Вселенной на самом деле иллюзорен, поскольку большие количества предонного уровня антивещества заключены в более сложные структуры.

Критика

Массовый парадокс

Одна преонная модель началась как внутренняя статья в детекторе коллайдера в Фермилабе (CDF) примерно в 1994 году. Статья была написана после того, как в 1992–1993 годах был обнаружен неожиданный и необъяснимый избыток струй с энергией выше 200  ГэВ . Однако, рассеивающие эксперименты показали , что кварки и лептоны «точка как» вниз на расстояние чешуйки менее 10 ^-18  м (или 1 / 1000 с диаметром протона). Импульса неопределенность из преонной (любого массы) ограничивается коробкой такого размера составляет около 200 ГэВ / с, что в 50000 раз больше , чем ( в зависимости от модели) массы покоя в направлении вверх-кварка и 400000 раз больше , чем масса покоя электрона.

Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что и, следовательно, все, что ограничено рамкой меньшего размера , имеет пропорционально большую неопределенность импульса. Таким образом, преонная модель предлагала частицы меньшего размера, чем элементарные частицы, которые они составляют, поскольку неопределенность импульса должна быть больше, чем сами частицы. ${\ displaystyle \ operatorname {\ Delta} x \ cdot \ operatorname {\ Delta} p \ geq {\ tfrac {1} {2}} \ hbar}$${\ displaystyle \ operatorname {\ Delta} x}$${\ displaystyle \ operatorname {\ Delta} p}$

Таким образом, преонная модель представляет собой парадокс масс: как кварки или электроны могут состоять из более мелких частиц, у которых масса-энергия на много порядков больше, обусловленная их огромным импульсом? Один из способов разрешить этот парадокс - постулировать наличие большой силы связи между преонами, которая нейтрализует их энергии-массы.

Конфликты с наблюдаемой физикой

Модели Преона 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 БАК подтверждено, это наблюдение противоречит предсказаниям многих преонных моделей, которые его не включали.

Теории Преона требуют, чтобы кварки и лептоны имели конечный размер. Возможно, что Большой адронный коллайдер будет наблюдать это после того, как будет переведен на более высокие энергии.

В популярной культуре

• В переиздании / редактировании своего романа 1930 года « Скайларк-3» в 1948 году Э. Э. Смит постулировал серию «субэлектронов первого и второго типов», причем последние были элементарными частицами, которые были связаны с силой гравитации. Хотя это могло не быть элементом оригинального романа (научная основа некоторых других романов в этой серии была тщательно пересмотрена в связи с дополнительными восемнадцатью годами научных разработок), даже отредактированная публикация может быть первой или единственной. в первом упоминается возможность того, что электроны не являются элементарными частицами.

• В романной версии фильма 1982 года « Звездный путь II: Гнев Хана» , написанной Вондой Макинтайр , двое из команды проекта «Генезис» доктора Кэрол Маркус, Вэнс Мэдисон и Делвин Марч, изучали субэлементарные частицы, которые они назвали «буджумы» и «снарки» в области, которую в шутку называют «физикой детского сада», потому что она ниже, чем «элементарная» (аналогия со школьными уровнями).

• В романе Джеймса П. Хогана 1982 года « Путешествие из прошлых лет» обсуждались преоны (так называемые твидл ), физика которых стала центральной в сюжете.

Смотрите также

• Техниколор (физика)
• Преонская звезда
• Предон-вырожденная материя
• Ришон модель

использованная литература

дальнейшее чтение

• Болл, П. (2007). «Расщепление кварка». Природа . DOI : 10.1038 / news.2007.292 .
• «Достигнули ли мы еще? - статья о преонах и мелочах» . 2013-01-24.