Preon - Preon

O chorobach białkowych patrz Prion . Dla nazwy handlowej Freon, patrz Chlorofluorowęglowodór .

W fizyce cząstek preony są cząstkami punktowymi , rozumianymi jako podskładniki kwarków i leptonów . Słowo to zostało wymyślone przez Jogesha Pati i Abdusa Salama w 1974 roku. Zainteresowanie modelami preonów osiągnęło szczyt w latach 80., ale zmalało, ponieważ Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych nadal opisuje fizykę, głównie z powodzeniem, i nie ma bezpośrednich dowodów eksperymentalnych na lepton i stwierdzono złożoność kwarków. Preony występują w czterech odmianach, plus, anty-plus, zero i anty-zero. Bozony W mają 6 preonów, a kwarki tylko 3.

W sektorze hadronowym niektóre efekty są uważane za anomalie w Modelu Standardowym . Na przykład zagadka spinu protonu , efekt EMC , rozkłady ładunków elektrycznych wewnątrz nukleonów , jak odkrył Hofstadter w 1956 r., oraz elementy macierzy CKM ad hoc .

Kiedy ukuto termin „preon”, miał on przede wszystkim wyjaśnić dwie rodziny fermionów o spinie 1/2: kwarki i leptony. Nowsze modele preonów również uwzględniają bozony o spinie 1 i nadal są nazywane „preonami”. Każdy z modeli preonów zakłada zestaw mniejszej liczby cząstek fundamentalnych niż te z Modelu Standardowego, wraz z regułami rządzącymi tym, jak te fundamentalne cząstki łączą się i oddziałują. W oparciu o te reguły modele preonów starają się wyjaśnić Model Standardowy , często przewidując małe rozbieżności z tym modelem i generując nowe cząstki i pewne zjawiska, które nie należą do Modelu Standardowego.

Cele modeli preon

Badania Preon są motywowane chęcią:

  • Zmniejsz dużą liczbę cząstek, z których wiele różni się tylko ładunkiem, do mniejszej liczby cząstek bardziej fundamentalnych. Na przykład elektron i pozyton są identyczne, z wyjątkiem ładunku, a badania nad preonami są motywowane wyjaśnieniem, że elektrony i pozytony składają się z podobnych preonów, z odpowiednią różnicą uwzględniającą ładunek. Nadzieją jest odtworzenie redukcjonistycznej strategii, która sprawdziła się w układzie okresowym pierwiastków .
  • Wyjaśnić trzy pokolenia z fermionów .
  • Oblicz parametry, które są obecnie niewyjaśnione w Modelu Standardowym, takie jak masy cząstek , ładunki elektryczne i ładunki barw , oraz zmniejsz liczbę eksperymentalnych parametrów wejściowych wymaganych przez Model Standardowy.
  • Podaj przyczyny bardzo dużych różnic w masach energii obserwowanych w rzekomo elementarnych cząstkach, od neutrina elektronowego do kwarku górnego .
  • Podaj alternatywne wyjaśnienia łamania symetrii elektrosłabej bez wywoływania pola Higgsa , co z kolei prawdopodobnie wymaga supersymetrii, aby skorygować teoretyczne problemy związane z polem Higgsa. Sama supersymetria ma problemy teoretyczne.
  • Uwzględnij oscylację i masę neutrin .
  • Dokonuj nowych nietrywialnych prognoz, takich jak kandydaci na zimną ciemną materię .
  • Wyjaśnij, dlaczego istnieje tylko obserwowana różnorodność gatunków cząstek i podaj model z uzasadnieniem, dla którego powstają tylko te obserwowane cząstki (ponieważ przewidywanie nieobserwowanych cząstek jest problemem w przypadku wielu obecnych modeli, takich jak supersymetria ).

Tło

Zanim Model Standardowy został opracowany w latach 70. (kluczowe elementy Modelu Standardowego znane jako kwarki zostały zaproponowane przez Murraya Gell-Manna i George'a Zweiga w 1964), fizycy obserwowali setki różnych rodzajów cząstek w akceleratorach cząstek . Zostały one zorganizowane w zależności dotyczące ich właściwości fizycznych w dużej mierze doraźny system hierarchii, niezupełnie odmienny od sposobu, w jaki taksonomia grupowała zwierzęta na podstawie ich cech fizycznych. Nic dziwnego, że ogromną liczbę cząstek określano mianem „ zoo cząstek ”.

Model Standardowy, który jest obecnie dominującym modelem fizyki cząstek elementarnych, radykalnie uprościł ten obraz, pokazując, że większość obserwowanych cząstek to mezony , które są kombinacją dwóch kwarków , lub barionów, które są kombinacją trzech kwarków i garstki innych kwarków . cząstki. Zgodnie z teorią cząstki obserwowane w coraz potężniejszych akceleratorach były zazwyczaj tylko kombinacjami tych kwarków.

Porównanie kwarków, leptonów i bozonów

W Modelu Standardowym istnieje kilka klas cząstek . Jeden z nich, kwarki , ma sześć typów, z których każdy ma trzy odmiany (nazywane „ kolorami ”, czerwonym, zielonym i niebieskim, co daje początek chromodynamice kwantowej ).

Dodatkowo istnieje sześć różnych rodzajów tak zwanych leptonów . Z tych sześciu leptonów są trzy naładowane cząstki : elektron , mion i tau . W neutriny zawierać inne trzy leptony i dla każdego neutrinem jest odpowiedni element z drugiego zestawu trzech leptony.

W Modelu Standardowym występują też bozony , w tym fotony ; bozony W + , W − i Z ; gluony i bozon Higgsa ; i pozostawiono otwartą przestrzeń dla grawitonu . Prawie wszystkie te cząstki występują w wersjach „leworęcznych” i „praworęcznych” (patrz chiralność ). Kwarki, leptony i bozon W mają antycząstki o przeciwnym ładunku elektrycznym.

Nierozwiązane problemy z Modelem Standardowym

Model Standardowy ma również szereg problemów, które nie zostały do ​​końca rozwiązane. W szczególności nie zaproponowano jeszcze skutecznej teorii grawitacji opartej na teorii cząstek. Chociaż Model zakłada istnienie grawitonu, wszystkie próby stworzenia na ich podstawie spójnej teorii zawiodły.

Kalman twierdzi, że zgodnie z koncepcją atomizmu, podstawowymi cegiełkami natury są niepodzielne kawałki materii, które są niegenerowane i niezniszczalne. Kwarki nie są tak naprawdę niezniszczalne, ponieważ niektóre mogą rozpaść się na inne kwarki. Tak więc, na gruncie fundamentalnym, kwarki same w sobie nie są podstawowymi elementami budulcowymi, ale muszą składać się z innych, fundamentalnych wielkości — preonów. Chociaż masa każdej kolejnej cząstki jest zgodna z pewnymi wzorcami, przewidywania masy spoczynkowej większości cząstek nie mogą być precyzyjnie wykonane, z wyjątkiem mas prawie wszystkich barionów, które zostały ostatnio bardzo dobrze opisane przez model de Souzy .

Model Standardowy ma również problemy z przewidywaniem wielkoskalowej struktury Wszechświata. Na przykład SM generalnie przewiduje równe ilości materii i antymaterii we wszechświecie. Podjęto szereg prób, aby „naprawić” to za pomocą różnych mechanizmów, ale do tej pory żaden nie zyskał szerokiego poparcia. Podobnie, podstawowe adaptacje Modelu sugerują obecność rozpadu protonu , czego dotychczas nie zaobserwowano.

Motywacja dla modeli preon

Zaproponowano kilka modeli w celu zapewnienia bardziej fundamentalnego wyjaśnienia wyników eksperymentalnej i teoretycznej fizyki cząstek, używając nazw takich jak „ parton ” lub „preon” dla hipotetycznych podstawowych składników cząstek.

Teoria preonów jest motywowana chęcią odtworzenia w fizyce cząstek elementarnych osiągnięć układu okresowego pierwiastków w chemii, który zredukował 94 naturalnie występujące pierwiastki do kombinacji zaledwie trzech elementów budulcowych (protonu, neutronu, elektronu). Podobnie Model Standardowy zorganizował później „cząstkowe zoo” hadronów , redukując kilkadziesiąt cząstek do kombinacji na bardziej fundamentalnym poziomie (na początku) tylko trzech kwarków , w konsekwencji zmniejszając ogromną liczbę arbitralnych stałych w cząstce z połowy XX wieku. fizyka przed Modelem Standardowym i chromodynamika kwantowa .

Jednak konkretny model preonu omówiony poniżej wzbudził do tej pory stosunkowo niewielkie zainteresowanie społeczności fizyków cząstek elementarnych, po części dlatego, że do tej pory nie uzyskano żadnych dowodów w eksperymentach ze zderzaczami, aby wykazać, że fermiony Modelu Standardowego są złożone.

Próbowanie

Wielu fizyków próbowało opracować teorię „pre-kwarków” (od której wywodzi się nazwa preon ), starając się uzasadnić teoretycznie wiele części Modelu Standardowego, które są znane tylko z danych eksperymentalnych. Inne nazwy, które zostały użyte dla tych proponowanych cząstek fundamentalnych (lub cząstek pośrednich między najbardziej fundamentalnymi cząstkami a tymi obserwowanymi w Modelu Standardowym) to prekwarki , subkwarki , maony , alfony , quinki , riszony , tweedle , helony , haplony , cząstki Y i primony . Preon to wiodąca nazwa w społeczności fizyków.

Wysiłki zmierzające do opracowania podbudowy datują się przynajmniej na rok 1974 wraz z artykułem Pati i Salama w Physical Review . Inne próby obejmują pracę Terazawy, Chikashige i Akamy z 1977 r., podobne, ale niezależne, prace Ne'emana, Harariego i Shupe z 1979 r., pracę Fritzscha i Mandelbauma z 1981 r. oraz książkę D'Souzy i Kalmana z 1992 r. Żadne z nich nie zyskało szerokiej akceptacji w świecie fizyki. Jednak w niedawnej pracy de Souza wykazał, że jego model dobrze opisuje wszystkie słabe rozpady hadronów zgodnie z regułami selekcji podyktowanymi liczbą kwantową wyprowadzoną z jego modelu złożoności. W jego modelu leptony są cząstkami elementarnymi, a każdy kwark składa się z dwóch primonów , a zatem wszystkie kwarki są opisane przez cztery primony . Dlatego nie ma potrzeby stosowania bozonu Higgsa Modelu Standardowego, a masa każdego kwarka jest wyprowadzana z interakcji między każdą parą primonów za pomocą trzech bozonów Higgsa.

W swoim wykładzie o nagrodzie Nobla z 1989 r. Hans Dehmelt opisał najbardziej fundamentalną cząstkę elementarną o definiowalnych właściwościach, którą nazwał kosmonem , jako prawdopodobny wynik końcowy długiego, ale skończonego łańcucha coraz większej liczby cząstek elementarnych.

Kompozyt Higgs

Wiele modeli preonów albo nie uwzględnia bozonu Higgsa, albo go wyklucza i sugeruje, że elektrosłaba symetria jest łamana nie przez skalarne pole Higgsa, ale przez złożone preony. Na przykład teoria preonów Fredrikssona nie wymaga bozonu Higgsa i wyjaśnia rozerwanie elektrosłabe jako przegrupowanie preonów, a nie pole, w którym pośredniczy Higgs. W rzeczywistości model preonu Fredrikssona i model de Souzy przewidują, że bozon Higgsa Modelu Standardowego nie istnieje.

Model Riszon

Główny artykuł: model Rishon

Model risona (RM) to najwcześniejsza próba (1979) opracowania modelu preonów w celu wyjaśnienia zjawiska występującego w Modelu Standardowym (SM) fizyki cząstek elementarnych . Po raz pierwszy został opracowany przez Haima Harariego i Michaela A. Shupe (niezależnie od siebie), a później rozbudowany przez Harariego i jego ówczesnego ucznia Nathana Seiberga .

Model ma dwa rodzaje fundamentalnych cząstek zwanych rishonami (co po hebrajsku oznacza „pierwotne” ). Są to T („Trzeci”, ponieważ ma ładunek elektryczny ⅓  e lub Tohu, co oznacza „nieuformowany” ) i V („Znika”, ponieważ jest elektrycznie neutralny, lub Vohu, co oznacza „pustkę”). Wszystkie leptony i wszystkie smaki z kwarków są trzy Rishon zamówione trojaczki. Te grupy trzech rishonów mają spin-½ .

Model Rishon ilustruje niektóre z typowych wysiłków w tej dziedzinie. Wiele modeli preonów zakłada, że ​​pozorna nierównowaga materii i antymaterii we wszechświecie jest w rzeczywistości iluzoryczna, ponieważ duże ilości antymaterii na poziomie preonów są zamknięte w bardziej złożonych strukturach.

Krytyka

Paradoks masowy

Jeden z modeli preonów powstał jako artykuł wewnętrzny w Detektorze Zderzaczy w Fermilab (CDF) około 1994 roku. Artykuł został napisany po wykryciu nieoczekiwanego i niewytłumaczalnego nadmiaru dżetów o energiach powyżej 200  GeV w okresie 1992-1993. Jednak eksperymenty z rozpraszaniem wykazały, że kwarki i leptony są „punktowe” w skali odległości mniejszej niż 10-18  m (lub 1 ⁄ 1000 średnicy protonu). Pęd niepewność z Preon (niezależnie od masy) ograniczony do pola tej wielkości około 200 GeV / C, co jest 50000 razy większe niż (w zależności od modelu) masy spoczynkowym jest tu zwiększanie twarogu i 400000 razy większe niż masa spoczynkowa elektronu.

Zasada nieoznaczoności Heisenberga stwierdza, że wszystko, co jest ograniczone do pudełka mniejszego niż miałoby proporcjonalnie większą niepewność pędu. Tak więc model preonów proponował cząstki mniejsze niż cząstki elementarne, które tworzą, ponieważ niepewność pędu powinna być większa niż same cząstki.

Zatem model preonu reprezentuje paradoks masy: jak kwarki lub elektrony mogą być zbudowane z mniejszych cząstek, które miałyby o wiele rzędów wielkości większą energię masy wynikającą z ich ogromnego pędu? Jednym ze sposobów rozwiązania tego paradoksu jest założenie dużej siły wiążącej między preonami, która anuluje ich energie masowe.

Konflikty z obserwowaną fizyką

Modele Preon proponują dodatkowe nieobserwowane siły lub dynamikę, aby uwzględnić obserwowane właściwości cząstek elementarnych, co może mieć konsekwencje w konflikcie z obserwacją. Na przykład, teraz, gdy obserwacja bozonu Higgsa została potwierdzona przez LHC , obserwacja ta jest sprzeczna z przewidywaniami wielu modeli preonów, które go nie uwzględniały.

Teorie preonów wymagają, aby kwarki i leptony miały skończony rozmiar. Możliwe, że Wielki Zderzacz Hadronów zaobserwuje to po przejściu na wyższe energie.

W kulturze popularnej

  • W 1948 r. w przedruku/edycji swojej powieści Skylark Three z 1930 r. EE Smith postulował serię „podelektronów pierwszego i drugiego typu”, przy czym te ostatnie są podstawowymi cząstkami powiązanymi z siłą grawitacji. Chociaż może to nie być elementem oryginalnej powieści (podstawa naukowa niektórych innych powieści z serii została gruntownie zrewidowana ze względu na dodatkowe osiemnaście lat rozwoju naukowego), nawet zredagowana publikacja może być pierwszą lub jedną z nich. z pierwszego wspomina o możliwości, że elektrony nie są cząstkami fundamentalnymi.
  • W nowej wersji filmu Star Trek II: The Wrath of Khan z 1982 roku , napisanego przez Vondę McIntyre , dwóch członków zespołu projektowego Genesis dr Carol Marcus, Vance Madison i Delwyn March, zbadało cząstki elementarne, które nazwali. "boojum" i "snarks", w dziedzinie, którą żartobliwie nazywają "fizyką przedszkolną", ponieważ jest ona niższa niż "elementarna" (analogia do poziomów szkolnych).

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura