Преон - Википедия - Preon

О белковых заболеваниях см. Прион. Торговое название фреона см. Хлорфторуглерод.

В физике элементарных частиц преоны находятся точечные частицы, задуманные как подкомпоненты кварки и лептоны.[1] Слово было придумано Йогеш Пати и Абдус Салам, в 1974 году. Пик интереса к преонным моделям пришелся на 1980-е годы, но затем снизился, поскольку Стандартная модель физики элементарных частиц продолжает описывать физику, в основном успешно, и никаких прямых экспериментальных доказательств составности лептона и кварка найдено не было.

в адронный сектора, некоторые эффекты считаются аномалиями в пределах Стандартная модель. Например, пазл с протоном, то Эффект ЭМС, распределения электрических зарядов внутри нуклоны, как обнаружено Hofstadter в 1956 г.[2][3], а для этого случая Матрица СКМ элементы.

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 из меньшего количества элементарных частиц, чем в Стандартной модели, вместе с правилами, определяющими, как эти элементарные частицы объединяются и взаимодействуют. Основываясь на этих правилах, преоновые модели пытаются объяснить Стандартная модель, часто предсказывающие небольшие расхождения с этой моделью и генерирующие новые частицы и определенные явления, которые не принадлежат Стандартной модели.

Цели преон-моделей

Исследования Preon мотивированы желанием:

  • Уменьшите большое количество частиц, многие из которых отличаются 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 подобных преонов с соответствующей разницей, учитывающей заряд. Есть надежда воспроизвести редукционист стратегия, которая сработала для периодическая таблица элементов.
  • Объясните три поколения из фермионы.
  • Вычислить параметры, которые в настоящее время не объяснены Стандартной моделью, например, частицы массы, электрические заряды, и цветные обвинения, и уменьшить количество экспериментальных входных параметров, требуемых Стандартной моделью.
  • Объясните причины очень больших различий в энергетических массах якобы элементарных частиц от электронное нейтрино к верхний кварк.
  • Дайте альтернативные объяснения электрослабый нарушение симметрии не обращаясь к Поле Хиггса, который, в свою очередь, возможно, нуждается в суперсимметрия исправить теоретические проблемы, связанные с полем Хиггса[который? ]. Сама суперсимметрия имеет теоретические проблемы[который? ].
  • Учитывать осцилляция нейтрино и масса.
  • Делайте новые нетривиальные прогнозы, например холодная темная материя кандидаты.
  • Объясните, почему существует только наблюдаемое разнообразие видов частиц, и дайте модель с причинами получения Только эти наблюдаемые частицы (поскольку предсказание ненаблюдаемых частиц является проблемой 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 Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг в 1964 г.) физики наблюдали сотни различных видов частиц в ускорители частиц. Они были организованы во взаимосвязи по своим физическим свойствам в рамках в значительной степени специальной системы иерархий, мало чем отличающейся от способа таксономия группировали животных по их физическим характеристикам. Неудивительно, что огромное количество частиц было названо "зоопарк частиц ".

Стандартная модель, которая в настоящее время является преобладающей моделью физики элементарных частиц, резко упростила эту картину, показав, что большинство наблюдаемых частиц являются мезоны, которые представляют собой комбинацию двух кварки, или же барионы которые представляют собой комбинации трех кварков и нескольких других частиц. 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 есть несколько классов частиц. Один из них, кварки, имеет шесть типов, из которых по три разновидности в каждом (получивший название "цвета ", красный, зеленый и синий, что дает начало квантовая хромодинамика ).

Кроме того, существует шесть различных типов так называемых лептоны. Из этих шести лептонов три заряженные частицы: the электрон, мюон, и тау. В нейтрино состоят из трех других лептонов, и каждому нейтрино соответствует член из другого набора из трех лептонов.

В Стандартной модели также есть бозоны, в том числе фотоны; W+, Вт−, и Z-бозоны; глюоны и бозон Хиггса; и открытое пространство осталось для гравитон. 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, ни одна успешная теория гравитация на основе теории частиц еще не было предложено. Хотя Модель предполагает существование гравитона, все попытки создать на их основе последовательную теорию потерпели неудачу.

Кальман[4] 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, но должны состоять из других, фундаментальных величин - преонов. Хотя масса каждой последующей частицы следует определенным закономерностям, предсказания масса покоя большинства частиц невозможно получить точно, за исключением масс почти всех барионов, которые недавно были очень хорошо описаны моделью де Соуза.[5]

Стандартная модель также имеет проблемы с предсказанием крупномасштабной структуры Вселенной. Например, СМ обычно предсказывает равные количества вещества и антивещество во вселенной. Было сделано несколько попыток «исправить» это с помощью различных механизмов, но на сегодняшний день ни один из них не получил широкой поддержки. Точно так же базовые адаптации Модели предполагают наличие распад протона, чего еще не наблюдалось.

Мотивация для моделей preon

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

Теория Преона мотивирована желанием воспроизвести в физике элементарных частиц достижения периодическая таблица в области химии, которая сократила 94 встречающихся в природе элемента до комбинаций всего из трех строительных блоков (протон, нейтрон, электрон). Точно так же Стандартная модель позже организовал "зоопарк частиц" адроны сокращая несколько десятков частиц до комбинаций на более фундаментальном уровне (сначала) всего три кварки, следовательно, сокращение огромного количества произвольных констант в физике элементарных частиц середины двадцатого века до появления Стандартная модель и квантовая хромодинамика.

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» (отсюда и название преон происходит) в попытке теоретически обосновать многие части Стандартной модели, которые известны только из экспериментальных данных. Другие названия, которые использовались для этих предложенных элементарных частиц (или частиц, промежуточных между наиболее элементарными частицами и частицами, наблюдаемыми в Стандартной модели), включают прекварки, субкварки, маоны,[6] альфоны, шутит, ришоны, твид, Helons, гаплоны, Y-частицы,[7] и примоны.[8] Преон - ведущее имя в сообществе физиков.

Попытки разработать субструктуру датируются, по крайней мере, еще в 1974 году с работой Пати и Салама в Физический обзор.[9] Среди других попыток - статья Теразавы, Чикашиге и Акамы 1977 года,[10] аналогичные, но независимые статьи Неемана 1979 г.,[11] Харари,[12] и Шупе,[13] работа Фрича и Мандельбаума 1981 г.,[14] и книга Д'Сузы и Калмана 1992 года.[1] Ни один из них не получил 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 - это элементарные частицы, и каждый кварк состоит из двух примоны, и, таким образом, все кварки описываются четырьмя примоны. Следовательно, нет необходимости в бозоне Хиггса Стандартной модели, и масса каждого кварка получается из взаимодействия между каждой парой примоны с помощью трех бозонов типа Хиггса.

В его 1989 Нобелевская премия приемная лекция, Ганс Демельт описал самую фундаментальную элементарную частицу с определенными свойствами, которую он назвал космон, как вероятный конечный результат длинной, но конечной цепочки все более элементарных частиц.[16]

Составной Хиггс

Многие модели Preon также не учитывают бозон Хиггса или исключить это и предположить, что электрослабая симметрия нарушается не скалярным полем Хиггса, а составными преонами.[17] Например, теория преонов 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 Соуза предсказывают, что стандартной модели бозона Хиггса не существует.

Ришон модель

Основная статья: Ришон модель

В Ришон модель (RM) - это самая ранняя попытка разработать преонную модель для объяснения явления, возникающего в Стандартная модель (SM) из физика элементарных частиц. Впервые он был разработан Хаим Харари и Майкл А. Шупе (независимо друг от друга), а затем расширены Харари и его тогдашним учеником Натан Зайберг.[18]

В модели есть два вида фундаментальных частиц, которые называются ришоны (что означает "первичный" в иврит ). Они есть Т («Третий», поскольку он имеет электрический заряд ⅓е, или Тоху, что означает "несформированный" ) и V («Исчезает», поскольку электрически нейтрален, или «Воху», что означает «пустота»). Все лептоны и все ароматы из кварки - тройки, упорядоченные по трех ришонам. Эти группы из трех ришонов имеют спин-½.

В Ришон модель иллюстрирует некоторые из типичных усилий 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 антиматерии заключены в более сложные структуры.

Критика

Массовый парадокс

Одна преонная модель началась как внутренняя статья в детекторе коллайдера в Фермилаб (CDF) около 1994 г. Статья написана после неожиданного и необъяснимого превышения количества струй с энергией выше 200ГэВ были обнаружены в 1992–1993 гг. Тем не мение, рассеяние эксперименты показали, что кварки и лептоны «точечны» вплоть до масштабов расстояний менее 10−18 м (или1⁄1000 диаметра протона). В импульс неуверенность преона (любой массы), заключенного в коробку такого размера, составляет около 200 ГэВ / c, что в 50 000 раз больше, чем масса покоя ап-кварка и в 400 000 раз больше массы покоя электрона.

Гейзенберга принцип неопределенности утверждает, что и, следовательно, все, что заключено в коробку размером меньше будет иметь пропорционально большую неопределенность импульса. Таким образом, преонная модель предлагала частицы меньшего размера, чем элементарные частицы, которые они составляют, поскольку неопределенность импульса должны быть больше самих частиц.

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? Этот парадокс разрешается постулированием большой силы связи между преонами, уравновешивающей их массы-энергии.[нужна цитата ]

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 LHC наблюдение бозон Хиггса Подтверждено, наблюдение противоречит предсказаниям многих преонных моделей, которые его не включали.[нужна цитата ]

Теории Преона требуют, чтобы кварки и лептоны имели конечный размер. Возможно, что Большой адронный коллайдер будет наблюдать это после того, как он будет повышен до более высоких энергий.

В популярной культуре

  • В переиздании / редакции 1948 года его романа 1930 года Жаворонок Три, Э. Э. Смит постулировал серию «субэлектронов первого и второго типа», причем последние были элементарными частицами, которые были связаны с силой гравитации. Хотя это, возможно, не было 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 одной из в первом упоминается возможность того, что электроны не являются элементарными частицами.
  • В романной версии фильма 1982 г. Звездный путь II: Гнев Хана, написано Вонда 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 чем «элементарный» (аналогично школьному уровню).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б D'Souza, I.A .; Кальман, К.С. (1992). Преоны: модели лептонов, кварков и калибровочных бозонов как составных объектов. Всемирный научный. ISBN  978-981-02-1019-9.
  2. ^ Хофштадтер, Роберт (1 июля 1956). «Рассеяние электронов и структура ядра». Обзоры современной физики. 28 (3): 214–254. Bibcode:1956РвМП ... 28..214Ч. Дои:10.1103 / RevModPhys.28.214.
  3. ^ Hofstadter, R .; Бумиллер, Ф .; Годян М. Р. (1 апреля 1958 г.). «Электромагнитная структура протона и нейтрона» (PDF). Обзоры современной физики. 30 (2): 482–497. Bibcode:1958RvMP ... 30..482H. Дои:10.1103 / RevModPhys.30.482. В архиве (PDF) из оригинала от 23.02.2018.
  4. ^ Кальман, С. С. (2005). «Почему кварки не могут быть элементарными частицами». Nuclear Physics B: Proceedings Supplements. 142: 235–237. arXiv:hep-ph / 0411313. Bibcode:2005НуФС.142..235К. Дои:10.1016 / j.nuclphysbps.2005.01.042.
  5. ^ де Соуза, M.E. (2010). «Расчет почти всех уровней энергии барионов». Статьи по физике. 3: 030003–1. Дои:10.4279 / PIP.030003.
  6. ^ Овербай, Д. (5 декабря 2006 г.). «Китай играет важную роль в физике элементарных частиц». Нью-Йорк Таймс. Получено 2011-09-12.
  7. ^ Ершов, В. (2005). «Равновесные конфигурации трехполюсных зарядов». Системы нескольких тел. 37 (1–2): 79–106. arXiv:физика / 0609185. Bibcode:2005FBS .... 37 ... 79л. Дои:10.1007 / s00601-004-0070-2.
  8. ^ де Соуза, M.E. (2005). «Предельное деление материи». Scientia Plena. 1 (4): 83.
  9. ^ Pati, J.C .; Салам, А. (1974). Цвет «лептонное число как четвертое»"" (PDF). Физический обзор D. 10 (1): 275–289. Bibcode:1974ПхРвД..10..275П. Дои:10.1103 / PhysRevD.10.275.
    Опечатка: Pati, J.C .; Салам, А. (1975). "Опечатка: число Лептона как четвертое" цвет"". Физический обзор D. 11 (3): 703. Bibcode:1975ПхРвД..11..703П. Дои:10.1103 / PhysRevD.11.703.2.
  10. ^ Terazawa, H .; Chikashige, Y .; Акама, К. (1977). «Единая модель типа Намбу-Йона-Лазинио для всех элементарных частиц». Физический обзор D. 15 (2): 480–487. Bibcode:1977ПхРвД..15..480Т. Дои:10.1103 / PhysRevD.15.480.
  11. ^ Нееман Ю. (1979). «Неприводимая калибровочная теория консолидированной модели Вайнберга-Салама». Письма по физике B. 81 (2): 190–194. Bibcode:1979ФЛБ ... 81..190Н. Дои:10.1016/0370-2693(79)90521-5.
  12. ^ Харари, Х. (1979). «Схематическая модель кварков и лептонов» (PDF). Письма по физике B. 86 (1): 83–6. Bibcode:1979ФЛБ ... 86 ... 83Н. Дои:10.1016/0370-2693(79)90626-9. OSTI  1447265.
  13. ^ Шупе, М.А. (1979). «Составная модель лептонов и кварков». Письма по физике B. 86 (1): 87–92. Bibcode:1979ФЛБ ... 86 ... 87С. Дои:10.1016/0370-2693(79)90627-0.
  14. ^ Fritzsch, H .; Мандельбаум, Г. (1981). «Слабые взаимодействия как проявление субструктуры лептонов и кварков». Письма по физике B. 102 (5): 319. Bibcode:1981ФЛБ..102..319Ф. Дои:10.1016/0370-2693(81)90626-2.
  15. ^ де Соуза, M.E. (2008). «Слабые распады адронов обнаруживают составность кварков». Scientia Plena. 4 (6): 064801–1.
  16. ^ Демельт, Х.Г. (1989). «Эксперименты с изолированной субатомной частицей в покое». Нобелевская лекция. Нобелевский фонд. См. Также ссылки в нем.
  17. ^ Dugne, J.-J .; Fredriksson, S .; Hansson, J .; Предацци, Э. (1997). «Боль Хиггса? Возьми преон!». arXiv:hep-ph / 9709227.
  18. ^ Харари, Хаим; Зайберг, Натан (1982). "Модель Ришона" (PDF). Ядерная физика B. Издательство Северной Голландии. 204 (1): 141–167. Bibcode:1982НуФБ.204..141Н. Дои:10.1016/0550-3213(82)90426-6. Получено 2018-06-02.

дальнейшее чтение