Введение

Гипотетическая субатомная частица

В физике частиц преоны — это гипотетические точечные частицы, представляющие собой субкомпоненты кварков и лептонов. Термин был предложен Джогешем Пати и Абдусом Саламом в 1974 году. Интерес к преонным моделям достиг пика в 1980-х годах, но затем снизился, поскольку Стандартная модель физики частиц продолжает успешно описывать физику, и не обнаружено прямых экспериментальных доказательств композитной природы лептонов и кварков. Преоны существуют в четырех разновидностях: плюс, анти-плюс, ноль и анти-ноль. Бозоны W состоят из шести преонов, а кварки и лептоны — только из трех. В адронном секторе некоторые эффекты рассматриваются как аномалии в рамках Стандартной модели. К ним относятся, например, спиновая головоломка протона, эффект ЭМС, распределение электрических зарядов внутри нуклонов, обнаруженное Хофштадтером в 1956 году, и элементы матрицы CKM, вводимые искусственно. Изначально термин "преон" был введен для объяснения двух семейств фермионов со спином: кварков и лептонов. Более поздние преонные модели также учитывают бозоны со спином 1 и по-прежнему называются "преонами". Каждая из преонных моделей постулирует меньшее количество фундаментальных частиц, чем в Стандартной модели, а также набор правил, определяющих, как эти частицы объединяются и взаимодействуют. На основе этих правил преонные модели пытаются объяснить Стандартную модель, часто предсказывая небольшие отклонения от неё и порождая новые частицы и явления, не входящие в её рамки.

Предыстория

До того, как Стандартная модель была разработана в 1970-х годах (ключевые элементы Стандартной модели, известные как кварки, были предложены Мюрреем Геллом-Манном и Джорджем Цвайгом в 1964 году), физики наблюдали сотни различных типов частиц в ускорителях частиц. Эти частицы были организованы в зависимости от их физических свойств в преимущественно эмпирическую систему иерархий, отчасти напоминающую способ, которым таксономия группирует животных на основе их физических характеристик. Неудивительно, что огромное количество частиц называли "зоопарком частиц". Стандартная модель, которая сейчас является общепринятой моделью физики частиц, значительно упростила эту картину, показав, что большинство наблюдаемых частиц являлись мезонами – комбинациями двух кварков, или барионами – комбинациями трех кварков, а также небольшим количеством других частиц. Частицы, которые наблюдались во всё более мощных ускорителях, согласно теории, обычно представляли собой не что иное, как комбинации этих кварков.

Сравнение кварков, лептонов и бозонов

В рамках Стандартной модели существует несколько классов частиц. Один из них, кварки, имеет шесть типов, каждый из которых представлен тремя разновидностями (называемыми "цветами" – красным, зеленым и синим, что является основой квантовой хромодинамики). Кроме того, существуют шесть различных типов так называемых лептонов. Среди этих шести лептонов три являются заряженными частицами: электрон, мюон и тау. Остальные три лептона – это нейтрино, и каждое нейтрино соответствует одному из трех заряженных лептонов. В Стандартной модели также присутствуют бозоны, включая фотоны и глюоны, W⁺, W⁻ и Z-бозоны, бозон Хиггса, а также место для гипотетического гравитона. Почти все эти частицы существуют в "левораторных" и "правораторных" версиях (см. хиральность). Кварки, лептоны и W-бозон имеют античастицы с противоположным электрическим зарядом (или, в случае нейтрино, с противоположным слабым изоспином).

Нерешенные проблемы со стандартной моделью

Стандартная модель также имеет ряд проблем, которые не были полностью решены. В частности, до сих пор не предложена ни одна успешная теория гравитации, основанная на теории частиц. Хотя модель постулирует существование гравитона, все попытки построить на его основе непротиворечивую теорию оказались безуспешными. Калман утверждает, что в соответствии с концепцией атомизма, фундаментальные строительные блоки природы – это неделимые частицы материи, которые не возникают из ничего и не уничтожаются. Ни лептоны, ни кварки не являются абсолютно неразрушимыми, поскольку некоторые лептоны могут распадаться в другие лептоны, а некоторые кварки – в другие кварки. Следовательно, по фундаментальным соображениям, кварки сами по себе не могут считаться фундаментальными строительными блоками, а должны состоять из других, более фундаментальных составляющих – преонов. Хотя масса каждой последующей частицы подчиняется определенным закономерностям, точные предсказания массы покоя для большинства частиц невозможны, за исключением масс почти всех барионов, которые хорошо моделируются де Соузой (2010). Стандартная модель также испытывает трудности с предсказанием крупномасштабной структуры Вселенной. Например, СМ обычно предсказывает равное количество материи и антиматерии во Вселенной. Было предпринято множество попыток "исправить" это с помощью различных механизмов, но ни один из них пока не получил широкого признания. Кроме того, базовые модификации модели предполагают существование распада протона, который до сих пор не наблюдался.

Мотивация для моделей преона

Было предложено несколько моделей в попытке дать более фундаментальное объяснение результатов в экспериментальной и теоретической физике частиц, используя такие названия, как "партон" или "преон" для гипотетических элементарных составляющих частиц. Теория преонов мотивирована стремлением повторить в физике частиц успехи периодической таблицы в химии, которая свела 94 природных элемента к комбинациям всего трех строительных блоков (протона, нейтрона, электрона). Подобным образом, Стандартная модель впоследствии упорядочила "зоопарк частиц" адронов, сократив несколько десятков частиц до комбинаций на более фундаментальном уровне (первоначально) всего трех кварков, что позволило уменьшить огромное количество произвольных констант в физике частиц середины двадцатого века до появления Стандартной модели и квантовой хромодинамики. Однако, конкретная преонная модель, рассматриваемая ниже, до настоящего времени не вызвала значительного интереса в сообществе физиков частиц, отчасти из-за отсутствия каких-либо экспериментальных данных, полученных на коллайдерах, свидетельствующих о том, что фермионы Стандартной модели являются составными.

Состав Хиггса

Многие преонные модели либо не учитывают бозон Хиггса, либо исключают его, и предполагают, что электрослабая симметрия нарушается не скалярным полем Хиггса, а композитными преонами. Например, теория преонов Фредерикссона не требует бозона Хиггса и объясняет нарушение электрослабой симметрии как перестройку преонов, а не посредством поля, опосредованного Хиггсом. Фактически, преонная модель Фредерикссона и модель де Соузы предсказывают отсутствие бозона Хиггса в Стандартной модели.

Модель Ришон

Модель ришона (RM) — это первая попытка (1979 года) разработать модель преонов для объяснения явлений, наблюдаемых в Стандартной модели (SM) физики частиц. Она была впервые разработана Хаимом Харари и Майклом А. Шупом (независимо друг от друга), а затем расширена Харари и его учеником Натаном Зайбергом. Модель оперирует двумя типами фундаментальных частиц, называемых ришонами (ראשונים) (что означает «Первые» на иврите). Это T («Третий», поскольку он имеет электрический заряд ⅓ e, или Тоху (תוהו), что означает «Хаос») и V («Исчезающий», поскольку он электрически нейтрален, или Воху, что означает «Пустота»). Все лептоны и все ароматы кварков представляют собой упорядоченные тройки ришонов. Эти группы из трех ришонов обладают спином ½. Модель ришона иллюстрирует некоторые типичные подходы в этой области. Многие модели преонов предполагают, что кажущийся дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной на самом деле является иллюзорным, при этом значительное количество антиматерии на уровне преонов заключено в более сложные структуры.

Парадокс массы

Одна из моделей преонов возникла как внутренняя записка в детекторе коллайдера в Фермилабе (CDF) примерно в 1994 году. Записка была написана после обнаружения неожиданного и необъяснимого избытка джетов с энергией выше 200 ГэВ в период работы коллайдера в 1992–1993 годах. Однако эксперименты по рассеянию показали, что кварки и лептоны являются "точечными" частицами на масштабах расстояний менее м (или 1/1000 диаметра протона). Неопределенность импульса преона (любой массы), заключенного в область такого размера, составляет около 200 ГэВ/c, что в 50 000 раз превышает (в зависимости от модели) массу покоя u-кварка и в 400 000 раз превышает массу покоя электрона. Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что и, следовательно, любое образование, ограниченное областью меньше, чем , будет иметь неопределенность импульса пропорционально большую. Таким образом, модель преонов постулировала частицы, меньшие, чем элементарные частицы, из которых они состоят, поскольку неопределенность импульса должна быть больше, чем масса самих частиц. Следовательно, модель преонов представляет собой массовой парадокс: как кварки или электроны могут состоять из более мелких частиц, которые обладают энергиями массы на много порядков больше, обусловленными их огромными импульсами? Один из способов разрешения этого парадокса – предположить наличие сильного связывающего взаимодействия между преонами, компенсирующего их энергии массы.

Конфликты с наблюдаемой физикой

Преонные модели постулируют существование дополнительных ненаблюдаемых сил или динамики для объяснения наблюдаемых свойств элементарных частиц, что может приводить к следствиям, противоречащим экспериментальным данным. Например, подтверждение открытия бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере противоречит предсказаниям многих преонных моделей, исключавших его существование. Преонные теории требуют, чтобы кварки и лептоны имели конечный размер. Не исключено, что Большой адронный коллайдер сможет обнаружить это после модернизации и достижения более высоких энергий.

В популярной культуре

В 1948 году в переиздании романа 1930 года «Скайларк Три» Э. Э. Смит предположил существование ряда «субэлектронов первого и второго типа», причем последние рассматривались как фундаментальные частицы, связанные с силой гравитации. Хотя это, возможно, не присутствовало в оригинальном романе (научная основа некоторых других романов серии была существенно пересмотрена из-за восемнадцати лет прогресса в науке), даже отредактированное издание может быть первым или одним из первых упоминаний о возможности того, что электроны не являются фундаментальными частицами. В новеллизации фильма 1982 года «Звёздный путь II: Гнев Хана», написанной Вондой МакИнтайр, два члена команды проекта «Генезис» доктора Кэрол Маркус, Вэнс Мэдисон и Делвин Марч, изучали субатомные частицы, которые они назвали «буджумы» и «снарками», в области, которую они в шутку называли «физикой детского сада», поскольку она находится ниже «элементарной» (аналогия с уровнями образования). В романе Джеймса П. Хогана «Путешествие из прошлого» 1982 года обсуждались преоны (называемые «твидлами»), физика которых стала ключевой для сюжета. В видеоигре Risk of Rain 2 2020 года один из предметов в игре называется «аккумулятор преонов», хотя это лишь номинальное упоминание.