Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Гипотетикалық субатомдық бөлшек
Hypothetical subatomic particle
Бөлшектер физикасында преондар – кварктар мен лептондардың құрамындағы бөлшектер ретінде ұсынылатын гипотетикалық нүктелік бөлшектер. Бұл термин 1974 жылы Жогеш Пати және Абдус Салам тарапынан енгізілген. Преон модельдеріне деген қызығушылық 1980 жылдары ең жоғары деңгейге жетті, бірақ бөлшектер физикасының Стандартты моделі физиканы көбінесе сәтті сипаттай беруіне және лептон мен кварктардың құрамдылығына тікелей эксперименталдық дәлелдер табылмай келуіне байланысты бәсеңдеді. Преондар төрт түрге бөлінеді: плюс, анти-плюс, ноль және анти-ноль. W бозондары алты преоннан тұрады, ал кварктар мен лептондар – үштен. Хадрондық сектордағы кейбір әсерлер Стандартты модельдегі аномалиялар ретінде қарастырылады. Мысалы, протон спинінің жұмбағы, ЭМК эффектісі, 1956 жылы Хофстадтер анықтаған нуклондар ішіндегі электр зарядтарының таралуы және CKM матрица элементтері. «Преон» термині алғаш рет спин фермиондарының екі түрін – кварктар мен лептондарды түсіндіру үшін қолданылған. Жаңа преон модельдері спин 1 бозондарының да есебін қосады және олар әлі де «преон» деп аталады. Преон модельдерінің әрқайсысы Стандартты модельдегіден аз фундаменталды бөлшектер жиынтығын және осы фундаменталды бөлшектердің қалай бірігіп, өзара әрекеттесетінін анықтайтын ережелерді ұсынады. Осы ережелерге сүйене отырып, преон модельдері Стандартты модельді түсіндіруге тырысады, көбінесе осы модельмен шағын сәйкессіздіктерді болжап, сондай-ақ Стандартты модельге жатпайтын жаңа бөлшектер мен белгілі бір құбылыстарды тудырады.
In particle physics, preons are hypothetical point particles, conceived of as sub components of quarks and leptons. The word was coined by Jogesh Pati and Abdus Salam, in 1974. Interest in preon models peaked in the 1980s but has slowed, as the Standard Model of particle physics continues to describe physics mostly successfully, and no direct experimental evidence for lepton and quark compositeness has been found. Preons come in four varieties: plus, anti plus, zero, and anti zero. W bosons have six preons, and quarks and leptons have only three. In the hadronic sector, some effects are considered anomalies within the Standard Model. For example, the proton spin puzzle, the EMC effect, the distributions of electric charges inside the nucleons, as found by Hofstadter in 1956, and the ad hoc CKM matrix elements. When the term "preon" was coined, it was primarily to explain the two families of spin fermions: quarks and leptons. More recent preon models also account for spin 1 bosons, and are still called "preons". Each of the preon models postulates a set of fewer fundamental particles than those of the Standard Model, together with the rules governing how those fundamental particles combine and interact. Based on these rules, the preon models try to explain the Standard Model, often predicting small discrepancies with this model and generating new particles and certain phenomena which do not belong to the Standard Model.
Өмірбаян
Стандартты модель 1970 жылдары жасалмас бұрын (Стандартты модельдің негізгі элементтері – кварктар – Мюррей Гелл-Манн мен Джордж Цвайг тарапынан 1964 жылы ұсынылды), физиктер бөлшектер үдеткіштерінде жүздеген түрлі бөлшектерді байқады. Бұл бөлшектер физикалық қасиеттері бойынша, көбінесе тәжірибелік иерархиялық жүйеде топтастырылды, бұл жануарларды физикалық белгілеріне сүйене отырып топтастыратын таксономияға едәуір ұқсамайтын. Көптеген бөлшектердің саны болғандықтан, оларға "бөлшектер бағы" деген ат берілді. Қазіргі кезде бөлшектер физикасының басым моделі болып табылатын Стандартты модель, бұл суретті күрт түрлендіріп, байқалған бөлшектердің көпшілігі екі кварктан тұратын мезондар немесе үш кварктан тұратын бариондар екенін көрсетті, сондай-ақ бірнеше басқа бөлшектер де бар еді. Теория бойынша, үдеткіштерде көрінетін бөлшектер көбінесе осы кварктардың комбинациясынан басқа ештеңе емес еді.
Before the Standard Model was developed in the 1970s (the key elements of the Standard Model known as quarks were proposed by Murray Gell Mann and George Zweig in 1964), physicists observed hundreds of different kinds of particles in particle accelerators. These were organized into relationships on their physical properties in a largely ad hoc system of hierarchies, not entirely unlike the way taxonomy grouped animals based on their physical features. Not surprisingly, the huge number of particles was referred to as the "particle zoo". The Standard Model, which is now the prevailing model of particle physics, dramatically simplified this picture by showing that most of the observed particles were mesons, which are combinations of two quarks, or baryons which are combinations of three quarks, plus a handful of other particles. The particles being seen in the ever more powerful accelerators were, according to the theory, typically nothing more than combinations of these quarks.
Кварктер, лептондар мен бозондарды салыстыру
Стандартты модельде бөлшектердің бірнеше класы бар. Олардың бірі – кварктар, олардың алты түрі бар, және әрбір түрі үш нұсқаға бөлінеді ("түстер" – қызыл, жасыл және көк, бұл кванттық хромодинамикаға негіз болады). Сонымен қатар, лептондар деп аталатын алты түрлі бөлшек бар. Осы алты лептондардың арасында үш зарядталған бөлшек кездеседі: электрон, мюон және тау. Нейтринолар қалған үш лептондарды құрайды, және әрбір нейтрино үш зарядталған лептондардың біреуімен жұптасады. Стандартты модельде бозондар да бар, оларға фотондар мен глюондар, W, W және Z бозондары, Хиггс бозоны кіреді, сондай-ақ гравитонға орын қарастырылған. Бұл бөлшектердің көбі "солжақ" және "оңжақ" нұсқаларында кездеседі (хиралдылыққа қараңыз). Кварктар, лептондар және W бозонының барлығының қарама-қарсы электр заряды бар антибөлшектері бар (ал нейтринолар үшін – қарама-қарсы әлсіз изоспин).
Within the Standard Model, there are several classes of particles. One of these, the quarks, has six types, of which there are three varieties in each (dubbed "colors", red, green, and blue, giving rise to quantum chromodynamics). Additionally, there are six different types of what are known as leptons. Of these six leptons, there are three charged particles: the electron, muon, and tau. The neutrinos comprise the other three leptons, and each neutrino pairs with one the three charged leptons. In the Standard Model, there are also bosons, including the photons and gluons; W, W, and Z bosons; and the Higgs boson; and an open space left for the graviton. Almost all of these particles come in "left handed" and "right handed" versions (see chirality). The quarks, leptons, and W boson all have antiparticles with opposite electric charge (or in the case of the neutrinos, opposite weak isospin).
Стандартты модельмен шешілмеген мәселелер
Стандартты модельде толық шешілмеген бірқатар мәселелер бар. Атап айтқанда, бөлшектер теориясына негізделген гравитацияның табысты теориясы әлі ұсынылмаған. Модель гравитонның бар екенін қабылдаса да, оларға негізделген тұтас теорияны құруға жасалған барлық әрекеттер сәтсіз аяқталды. Калман атомдық концепция бойынша, табиғаттың негізгі құрылыс блоктары – материяның бөлшектік, бөлінбес, тумаған және жойылмайтын элементтері болып табылады. Лептондар да, кварктар да толыққанды жойылмайды, себебі кейбір лептондар басқа лептондарға, ал кейбір кварктар басқа кварктарға ыдырай алады. Осылайша, фундаментальды тұрғыдан алғанда, кварктар өздері негізгі құрылыс блоктары емес, олар басқа, негізгі шамалардан тұруы керек – преондардан. Әрбір келесі бөлшектің массасы белгілі бір заңдылықтарды сақтайды, бірақ de Souza (2010) жақсы модельдеген барлық бариондардың массасын қоспағанда, көптеген бөлшектердің тыныш массасын дәл болжау мүмкін емес. Стандартты модельде ғаламның ірі масштабты құрылымын болжау да қиындық тудырады. Мысалы, Стандартты модель ғаламдағы материя мен антиматерияның мөлшері тең болуын болжайды. Бұл мәселені «шешу» үшін түрлі механизмдер қолданылды, бірақ бүгінгі күнге дейін олардың ешқайсысы кең қолдау таппады. Сондай-ақ, Модельдің қарапайым бейімделулері протонның ыдырауы мүмкін екенін көрсетеді, бірақ ол әлі байқалған жоқ.
The Standard Model also has a number of problems which have not been entirely solved. In particular, no successful theory of gravitation based on a particle theory has yet been proposed. Although the Model assumes the existence of a graviton, all attempts to produce a consistent theory based on them have failed. Kalman asserts that, according to the concept of atomism, fundamental building blocks of nature are indivisible bits of matter that are ungenerated and indestructible. Neither leptons nor quarks are truly indestructible, since some leptons can decay into other leptons, some quarks into other quarks. Thus, on fundamental grounds, quarks are not themselves fundamental building blocks, but must be composed of other, fundamental quantities—preons. Although the mass of each successive particle follows certain patterns, predictions of the rest mass of most particles cannot be made precisely, except for the masses of almost all baryons which have been modeled well by de Souza (2010). The Standard Model also has problems predicting the large scale structure of the universe. For instance, the SM generally predicts equal amounts of matter and antimatter in the universe. A number of attempts have been made to "fix" this through a variety of mechanisms, but to date none have won widespread support. Likewise, basic adaptations of the Model suggest the presence of proton decay, which has not yet been observed.
Алдын ала үлгілердің мотивациясы
Эксперименталды және теориялық бөлшектер физикасындағы нәтижелердің түпкілікті түсіндірмесін беру мақсатында бірнеше модельдер ұсынылды, олар гипотетикалық негізгі бөлшектердің құрамдас бөліктері үшін "партон" немесе "преон" сияқты атауларды пайдаланады. Преон теориясы химиядағы периодтық кестедегі табыстарды бөлшектер физикасында қайта жасау ниетімен туындады, ол табиғатта кездесетін 94 элементті үш құрылыс блогының (протон, нейтрон, электрон) комбинацияларына дейін азайтты. Сол сияқты, Стандартты модель кейінірек адрондардың "бөлшектер бағын" ұйымдастырды, бірнеше ондаған бөлшекті (алғашқыда) үш кварк деңгейіндегі комбинацияларға дейін тоғыстырды, нәтижесінде Стандартты модель мен кванттық хромодинамикаға дейінгі кезеңдегі бөлшектер физикасындағы көптеген кездейсоқ тұрақтылардың санын азайтты. Дегенмен, төменде талқыланған преондық модельге бөлшектер физикасы қауымдастығы тарапынан осы уақытқа дейін салыстырмалы түрде аз қызығушылық танылды, себебі коллайдерлік эксперименттерде Стандартты модельдің фермиондарының құрама екенін көрсететін ешқандай дәлел әлі алынбады.
Several models have been proposed in an attempt to provide a more fundamental explanation of the results in experimental and theoretical particle physics, using names such as "parton" or "preon" for the hypothetical basic particle constituents. Preon theory is motivated by a desire to replicate in particle physics the achievements of the periodic table in Chemistry, which reduced 94 naturally occurring elements to combinations of just three building blocks (proton, neutron, electron). Likewise, the Standard Model later organized the "particle zoo" of hadrons by reducing several dozen particles to combinations at a more fundamental level of (at first) just three quarks, consequently reducing the huge number of arbitrary constants in mid twentieth century particle physics prior to the Standard Model and quantum chromodynamics. However, the particular preon model discussed below has attracted comparatively little interest among the particle physics community to date, in part because no evidence has been obtained so far in collider experiments to show that the fermions of the Standard Model are composite.
Құрама Хиггс
Көптеген преондық модельдер Хиггс бозонын есепке алмайды немесе оны жоққа шығарады, сондай-ақ электро әлсіз симметрия скалярлық Хиггс өрісі арқылы емес, құрама преондармен бұзылады деп ұсынады. Мысалы, Фредрикссонның преон теориясына Хиггс бозоны қажет емес, ал электро әлсіз симметрияның бұзылуын Хиггс өрісінің араласуы емес, преондардың қайта құрылуы ретінде түсіндіреді. Шындығында, Фредрикссонның преондық моделі және де Соузаның моделі Стандартты модельдегі Хиггс бозонының жоқ екенін болжайды.
Many preon models either do not account for the Higgs boson or rule it out, and propose that electro weak symmetry is broken not by a scalar Higgs field but by composite preons. For example, Fredriksson preon theory does not need the Higgs boson, and explains the electro weak breaking as the rearrangement of preons, rather than a Higgs mediated field. In fact, the Fredriksson preon model and the de Souza model predict that the Standard Model Higgs boson does not exist.
Ришон үлгісі
Ришон моделі (RM) – бөлшектер физикасының Стандартты үлгісінде (SM) пайда болған құбылысты түсіндіру үшін преон моделін жасауға жасалған ең алғашқы тыраш (1979). Оны алғаш Хайм Харари мен Майкл А. Шуп (бір-бірінен тәуелсіз) жасады, кейін Харари мен оның сол кездегі студенті Натан Зайберг оны кеңейтті. Модельде ришон (ראשונים) деп аталатын екі түбіртек бөлшек бар (иврит тілінде «Бірінші» деген мағынаны білдіреді). Олар – T («Үшінші», себебі оның электр заряды ⅓e, немесе Tohu (תוהו) – «Хаос» деген мағынада) және V («Жоқ», себебі ол электрлік жағынан бейтарап, немесе Vohu – «бос» деген мағынада). Барлық лептондар мен кварктардың барлық түрлері үш ришоннан тұратын реттелген үштік болып табылады. Бұл үш ришоннан құралған топтардың спині ½-ге тең. Ришон моделі осы саладағы кейбір типологиялық жұмыстарды көрсетеді. Көптеген преондық модельдер ғаламдағы материя мен антиматерия арасындағы байқалатын тепе-теңдіксіздіктің іс жүзінде сыңарлық екенін, ал преондық деңгейдегі антиматерияның көп мөлшері күрделі құрылымдардың ішінде шектелгенін болжайды.
The rishon model (RM) is the earliest effort (1979) to develop a preon model to explain the phenomenon appearing in the Standard Model (SM) of particle physics. It was first developed by Haim Harari and Michael A. Shupe (independently of each other), and later expanded by Harari and his then student Nathan Seiberg. The model has two kinds of fundamental particles called rishons (ראשונים) (which means "First" in Hebrew). They are T ("Third" since it has an electric charge of ⅓ e, or Tohu (תוהו) which means "Chaos") and V ("Vanishes", since it is electrically neutral, or Vohu which means "void"). All leptons and all flavours of quarks are three rishon ordered triplets. These groups of three rishons have spin ½. The Rishon model illustrates some of the typical efforts in the field. Many of the preon models theorize that the apparent imbalance of matter and antimatter in the universe is in fact illusory, with large quantities of preon level antimatter confined within more complex structures.
Массалық парадокс
Бір преондық модель 1994 жылы Фермилабтың (CDF) коллайдер детекторындағы ішкі еңбек ретінде бастау алды. Бұл еңбек 1992–1993 жылдар аралығында 200 ГеВ-тан жоғары энергиясы бар ағындардың күтпеген және түсіндіріле алмайтын артық мөлшері анықталғаннан кейін жазылды. Дегенмен, шашырату тәжірибелері кварктар мен лептондардың "нүктелік" екенін көрсетті, яғни олардың мөлшері 10⁻¹⁸ метрден (протон диаметрінің 1/1000 бөлігінен) кішкентай. Осы көлемдегі қорапқа қамтылған преонның (массасы қандай болмасын) импульс белгісіздігі шамамен 200 ГеВ/с құрайды, бұл үстіңгі кварктің (модельге тәуелді) тыныш массасынан 50 000 есе, ал электронның тыныш массасынан 400 000 есе үлкен. Гейзенбергтің белгісіздік принципіне сәйкес, одан кішкентай көлемге қамтылған кез келген нысанның импульс белгісіздігі пропорционалды түрде артады. Осылайша, преондық модель құрамындағы элементар бөлшектерден кіші бөлшектерді ұсынды, себебі импульс белгісіздігі бөлшектердің өзінен үлкен болуы тиіс. Сөйтіп, преондық модель массалық парадокс тудырады: кварктар мен электрондар қалайша өте үлкен импульстарынан туындайтын, массалық энергиясы көп есе жоғары кішірек бөлшектерден құралуы мүмкін? Бұл парадоксты шешудің бір жолы – преондар арасындағы күшті байланыс күшін постулаттау, ол олардың массалық энергиясын жояды.
One preon model started as an internal paper at the Collider Detector at Fermilab (CDF) around 1994. The paper was written after an unexpected and inexplicable excess of jets with energies above 200 GeV were detected in the 1992–1993 running period. However, scattering experiments have shown that quarks and leptons are "point like" down to distance scales of less than m (or 1/1000 of a proton diameter). The momentum uncertainty of a preon (of whatever mass) confined to a box of this size is about 200 GeV/c, which is 50,000 times larger than the (model dependent) rest mass of an up quark, and 400,000 times larger than the rest mass of an electron. Heisenberg's uncertainty principle states that and thus anything confined to a box smaller than would have a momentum uncertainty proportionally greater. Thus, the preon model proposed particles smaller than the elementary particles they make up, since the momentum uncertainty should be greater than the particles themselves. So the preon model represents a mass paradox: How could quarks or electrons be made of smaller particles that would have many orders of magnitude greater mass energies arising from their enormous momenta? One way of resolving this paradox is to postulate a large binding force between preons that cancels their mass energies.
Байқалған физикамен қайшылықтар
Преондық модельдер элементар бөлшектердің байқалатын қасиеттерін түсіндіру үшін қосымша байқалмайтын күштерді немесе динамиканы ұсынады, бұл байқаулармен келіспеуі мүмкін. Мысалы, LHC-де Хиггс бозонының табылуы расталғаннан кейін, бұл көптеген преондық модельдердің болжамдарына қайшы келеді, олар оның болуын жорамаған. Преондық теориялар кварктар мен лептондардың шекті мөлшерде болуын қажет етеді. Үлкен адрондық коллайдер жаңартылып, жоғары энергияға жеткеннен кейін мұны байқауы мүмкін.
Preon models propose additional unobserved forces or dynamics to account for the observed properties of elementary particles, which may have implications in conflict with observation. For example, now that the LHC's observation of a Higgs boson is confirmed, the observation contradicts the predictions of many preon models that excluded it. Preon theories require quarks and leptons to have a finite size. It is possible that the Large Hadron Collider will observe this after it is upgraded to higher energies.
Танымал мәдениетте
1930 жылы жарық көрген «Skylark Three» романының 1948 жылғы қайта басылымында Э. Э. Смит «бірінші және екінші типтегі субелектрон» деген бірнешеуін ұсынды, соның ішінде екіншісі гравитациялық күшпен байланысты фундаменталды бөлшектер болатын. Бұл түпнұсқа романда болмауы мүмкін (сериядағы басқа романдардың ғылыми негізі ғылымның қосымша он сегіз жылдық дамуына байланысты кеңінен қайта қарастырылды), бірақ өңделген басылым электрондардың фундаменталды бөлшектер емес екендігі мүмкіндігін алғаш рет немесе бірінші болып айтқан болуы мүмкін. 1982 жылы түсірілген «Жұлдыздар жолы II: Ханның қаһары» фильмінің романында, Вонда МакИнтайр жазған сценарийде доктор Кэрол Маркустың «Жаратылыс» жобасының екі мүшесі Вэнс Мэдисон мен Делвин Марч «боокс» және «снаркс» деп аталатын субелементар бөлшектерді зерттеді. Олар бұл салаға әзілде «балабақша физикасы» деген ат қойды, себебі ол «элементар» деңгейінен (мектеп сатыларына ұқсас) төмен еді. Джеймс П. Хоганның 1982 жылғы «Ескі күннен саяхат» романында преондар (твидлдер деп аталды) талқыланды, олардың физикасы сюжеттің орталық мәселесіне айналды. 2020 жылғы «Risk of Rain 2» видео ойынында «preon accumulator» деп аталатын бір зат бар, бірақ ол тек атаумен ғана байланысты.
In the 1948 reprint/edit of his 1930 novel Skylark Three, E. E. Smith postulated a series of 'subelectrons of the first and second type' with the latter being fundamental particles that were associated with the gravitation force. While this may not have been an element of the original novel (the scientific basis of some of the other novels in the series was revised extensively due to the additional eighteen years of scientific development), even the edited publication may be the first, or one of the first, mentions of the possibility that electrons are not fundamental particles. In the novelized version of the 1982 motion picture Star Trek II: The Wrath of Khan, written by Vonda McIntyre, two of Dr. Carol Marcus' Genesis project team, Vance Madison and Delwyn March, have studied sub elementary particles they've named "boojums" and "snarks", in a field they jokingly call "kindergarten physics" because it is lower than "elementary" (analogy to school levels). James P. Hogan's 1982 novel Voyage from Yesteryear discussed preons (called tweedles), the physics of which became central to the plot. In the 2020 video game Risk of Rain 2, an item in the game is called the 'preon accumulator', though only a reference in name.