Preon | |
---|---|
Compus | particulă fundamentală |
Participă la interacțiuni | Gravitație [1] |
stare | Ipotetic |
numere cuantice |
Preonii sunt particule elementare ipotetice care pot forma quarci [2] și leptoni . În ciuda faptului că în prezent nu există indicii experimentale ale naturii nepunctuale a quarcilor și leptonilor, o serie de considerații (prezența a trei generații de fermioni , prezența a trei culori de quarci, simetria dintre quarci și leptoni ). ) indică faptul că pot fi particule compuse.
Numele „preon” a fost folosit pentru prima dată de Jogeso Poti ( ing. Jogesh Pati ) și Abdus Salam ( ing. Abdus Salam ) în 1974 . Vârful interesului pentru modelele de preon a fost în anii 80 ai secolului XX , după care acest interes a scăzut semnificativ, deoarece multe dintre aceste modele au contrazis datele experimentale obținute pe acceleratoare . În plus, după prima revoluție a superstringurilor, mulți fizicieni teoreticieni au avut tendința să creadă că teoria corzilor era mai logică și mai promițătoare. În consecință, eforturile lor principale s-au concentrat în această direcție. În ultimii ani, optimismul cu privire la teoria corzilor a început să se estompeze oarecum, ceea ce a reînviat interesul pentru modelele preonilor, deși dezvoltarea modelelor preonilor s-a limitat până acum în principal la construcții fenomenologice fără a lua în considerare dinamica preonilor. [3] În unele lucrări sunt investigate și posibilele consecințe observabile ale existenței nivelului preon al structurii materiei. [patru]
Până în momentul în care a apărut modelul standard al particulelor elementare (în anii 1970 ) , ale cărui elemente cheie au fost stabilite de Murray Gell-Mann și George Zweig încă din 1964, sute de particule cu proprietăți diferite au fost descoperite experimental. Clasificarea acestor particule s-a bazat pe o schemă ierarhică destul de greoaie și artificială, care amintește foarte mult de clasificarea biologică ramificată a diferitelor grupuri de animale. Nu este surprinzător, familia mare de particule elementare a fost uneori denumită „grădina zoologică cu particule”.
Modelul standard acceptat în general în fizica particulelor elementare a făcut posibilă simplificarea semnificativă a acestei imagini prin reprezentarea hadronilor ca sisteme compozite și împărțirea lor în două clase principale: mezoni , constând din doi quarci, și barioni , care sunt diverse combinații de trei quarci. Conform acestui model, marea majoritate a particulelor găsite în acceleratoare nu sunt altceva decât diferite combinații de quarci.
În Modelul Standard sunt postulate mai multe tipuri de particule elementare . De exemplu, există șase tipuri (arome) de quarci, fiecare dintre acestea putând avea una dintre cele trei valori ale unui tip special de încărcare, notate prin „culori” (de obicei roșu, verde și albastru). Introducerea taxelor de culoare a marcat începutul unei astfel de secțiuni a modelului standard ca cromodinamica cuantică (QCD). În plus, există alte șase tipuri de particule fundamentale în modelul standard numite leptoni. Trei dintre ei ( electron , muon și tau-particulă ) sunt purtători ai unei unități de sarcină electrică, celelalte trei (electron, muon și tau - neutrino ) sunt neutri din punct de vedere electric. Modelul standard conține, de asemenea, fotoni , bosoni de interacțiune slabă (W + , W − , Z) și gluoni , precum și bosonul Higgs și gravitonul încă nedescoperit . Aproape toate aceste particule pot fi într -o stare polarizată la dreapta sau la stânga .
Modelul standard lasă încă mai multe probleme nerezolvate. În special, nu a fost posibil să se construiască un model cuantic satisfăcător al gravitației , deși, în principiu, modelul standard presupune prezența unui graviton ca purtător al interacțiunii gravitaționale. În plus, originea spectrului de masă al particulelor observat rămâne neclară: deși însuși faptul originii maselor este explicat satisfăcător de mecanismul Higgs , cu toate acestea, valorile masei nu sunt derivate din acesta, ci doar unele regularități experimentale în se observă distribuţia acestor mase.
Există, de asemenea, probleme cu explicarea structurii universului la scară globală. În special, în condiții inițiale simetrice, modelul standard prezice prezența atât a antimateriei obișnuite, cât și a antimateriei în proporții aproape egale, ceea ce este în contradicție clară cu observațiile. Au fost propuse mai multe mecanisme pentru a rezolva problema, dar până în prezent niciuna dintre aceste propuneri nu este populară.
Lucrarea asupra preonului și a altor modele care depășesc modelul standard a fost motivată de dorința de a reduce numărul de parametri liberi ai modelului standard prin trecerea la un nivel structural mai profund, adică prin implementarea aproximativă a aceleiași scheme care a fost utilizată în modelul standard în sine pentru clasificarea particulelor " zoo " și reduce numărul de particule de bază. Următoarele probleme trebuie abordate:
Dacă teoria corzilor ar rezolva cu succes problemele de mai sus, atunci dezvoltarea modelelor de preon ar fi redundantă. În acest caz, diferitele particule fundamentale ale modelului standard ar putea fi reprezentate ca șiruri oscilante cu frecvențe și moduri diferite. Dinamica particulelor ar putea fi apoi descrisă folosind diagrame similare cu cele ale lui Feynman , dar folosind suprafețe bidimensionale ale lumii în loc de linii de lume , iar cele trei familii de fermioni fundamentale ar fi explicate prin șiruri care acoperă configurații specifice ale varietății de module de dimensiuni mai mari. Cu toate acestea, din cauza lipsei de progres vizibil în teoria corzilor, un număr tot mai mare de fizicieni încep să se îndoiască de rodnicia acesteia. [6] Ca urmare, urgența dezvoltării unor teorii alternative, inclusiv modele compozite bazate pe preoni, crește.
Numele preon provine de la pre-quarci, entități ipotetice care se referă la nivelul structural al materiei care precede quarci. Subquarci, maoni, alfoni, kinks, rishons, tweedles, geloni, haploni și particule Y au fost folosite ca nume alternative pentru presupusele particule elementare (sau, în general, pentru particulele corespunzătoare nivelurilor structurale care stau la baza quarcilor ) . Preon este numele cel mai des folosit. Inițial, acest termen a fost folosit pentru a se referi la particulele care formează structurile a două familii de fermioni fundamentali ( leptoni și quarci cu spin 1/2). Acum modelele de preon sunt folosite și pentru a reproduce bosonii întregi cu spin.
Una dintre primele încercări de a reprezenta particulele fundamentale sub formă de sisteme compozite a fost lucrarea sus-menționată a lui J. Poti și A. Salam, publicată în 1974 în Physical Review. Alte încercări au inclus lucrarea din 1977 a lui Terazawa, Chikashige și Akama și lucrările similare, dar independente, din 1979 ale lui Ne'eman , Harari, Shupe și 1981 ale lui Fritzsch și Mandelbaum (Frizsch, Mandelbaum), 1992 ale lui D'Souza și Kalman ( D'Souza, Kalman) și un articol de Larson (Larson), publicat în 1997. Aceste lucrări nu au primit o recunoaștere largă din partea comunității științifice.
În toate modelele de preon, se propune utilizarea unui număr mai mic de particule fundamentale decât în modelul standard. În plus, fiecare model de preon stabilește un set de reguli specifice conform cărora aceste particule interacționează între ele. Pe baza acestor reguli, se arată cum particulele fundamentale propuse ar putea forma structura Modelului Standard. În multe cazuri, s-a dovedit că predicțiile modelelor de preon s-au îndepărtat de modelul standard, în ele au apărut particule și fenomene neobservabile experimental, ceea ce a dus la respingerea acestor modele. Tipic în acest sens este modelul rishon propus de Harari.
În multe modele de preon, se presupune că dezechilibrul aparent dintre materie și antimaterie observat în natură este de fapt iluzoriu, deoarece antimateria face parte din structuri complexe de particule, iar dezechilibrul dispare la nivelul preonului.
Bosonul Higgs în multe modele de preon fie nu este luat în considerare, fie însăși posibilitatea existenței sale este respinsă. În acest caz, se presupune că simetria interacțiunii electroslabe este încălcată de preoni, și nu de câmpul scalar Higgs. De exemplu, în modelul de preon Fredrikson, simetria interacțiunii electroslabe este întreruptă atunci când preonii sunt rearanjați de la o structură la alta. În consecință, modelul Fredrickson nu prevede posibilitatea existenței bosonului Higgs. Pe de altă parte, acest model are o anumită configurație stabilă de preoni, pe care Fredrickson o numește cuarcul X și care poate fi considerat un bun candidat pentru rolul unei particule care formează o masă ascunsă în univers. Cu toate acestea, în acest articol, Fredrickson admite că în modelul său paradoxul de masă este o problemă destul de serioasă, mai ales când vine vorba de masele de neutrini.
După cum sa menționat deja, marea majoritate a lucrărilor care vizează explicarea originii structurii modelului standard se referă la teoria corzilor. De ceva timp, s-a crezut că teoria corzilor a înlocuit complet direcția preonului și că, cu ajutorul unor șiruri supersimetrice unidimensionale, a fost posibil să se reproducă toate particulele modelului standard supersimetric minim (MSSM), inclusiv proprietățile lor, cum ar fi culoarea. , sarcină, paritate, chiralitate și mase. Dar până acum acest lucru nu a fost posibil, în ciuda marilor eforturi colective ale fizicienilor teoreticieni. Căutările de arhivă în Spires și Arxiv arată că peste 30.000 de lucrări au fost publicate pe teoria corzilor din 1982, iar acest număr crește cu aproximativ câteva sute de lucrări în fiecare lună. În același timp, pentru preoanele din 2003 până în 2006, în sistemul Arxiv se găsesc doar câteva zeci de lucrări. Pot fi remarcate lucrările lui Bilson-Thompson (SO) și Fredriksson (Fredriksson, S.) [7] care au apărut în ultimii cinci ani .
În lucrarea sa din 2005 [8] , Sundance Bilson-Thompson a propus un model (aparent bazat pe teoria mai generală a împletiturii a lui M. Khovanov) [9] [10] ), în care rishon-urile Harari erau transformate în obiecte alungite asemănătoare unei panglici numite panglici. Potenţial, aceasta ar putea explica motivele auto-organizării subcomponentelor particulelor elementare, ducând la apariţia unei încărcături de culoare, în timp ce în modelul preon (rishon) anterior, elementele de bază erau particule punctiforme, iar sarcina de culoare a fost postulată. . Bilson-Thompson își numește panglicile extinse „geloni”, iar modelul - gelon. Acest model conduce la interpretarea sarcinii electrice ca o entitate topologică care apare atunci când panglicile sunt răsucite.
În al doilea articol, publicat de Bilson-Thompson în 2006, împreună cu F. Markopolou (Fotini Markopolou) și L. Smolin (Lee Smolin), s-a sugerat că pentru orice teorie a gravitației cuantice aparținând clasei buclelor în care spațiul -timpul este cuantificat, stările excitate ale spațiu-timpului însuși pot juca rolul preonilor, ducând la apariția modelului standard ca proprietate emergentă a teoriei gravitației cuantice [11] .
Astfel, Bilson-Thompson și colab. au sugerat că teoria gravitației cuantice în buclă ar putea reproduce modelul standard unificând automat toate cele patru interacțiuni fundamentale. Totodată, cu ajutorul preonilor reprezentați ca brads (țesături de spațiu-timp fibros), a fost posibil să se construiască un model de succes al primei familii de fermioni fundamentali (quarci și leptoni) cu reproducerea mai mult sau mai puțin corectă a acestora. taxe și parități [11] .
Lucrarea originală a lui Bilson-Thompson presupunea că fermionii fundamentali din a doua și a treia familie ar putea fi reprezentați ca iluzii mai complexe și că fermionii din prima familie au fost cele mai simple dintre posibilele iluzii, deși reprezentările specifice ale iluziilor complexe nu au fost. dat. Se crede că sarcinile electrice și de culoare, precum și paritatea particulelor aparținând unor familii de rang superior, ar trebui obținute exact în același mod ca și pentru particulele din prima familie.
Utilizarea metodelor de calcul cuantic a făcut posibilă demonstrarea faptului că astfel de particule sunt stabile și nu se degradează sub influența fluctuațiilor cuantice [12] .
Structurile tip panglică în modelul Bilson-Thompson sunt reprezentate ca entități care constau din aceeași materie ca spațiul-timp însuși [12] . În timp ce lucrările Bilson-Thompson arată cum pot fi produși fermioni și bozoni din aceste structuri, ele nu discută despre cum ar putea fi produs bosonul Higgs folosind branding.
L. Freidel (L. Freidel), J. Kowalski-Glikman (J. Kowalski-Glikman) și A. Starodubtsev (A. Starodubtsev) în articolul lor din 2006 au sugerat că particulele elementare pot fi reprezentate folosind liniile Wilson ale câmpului gravitațional , ceea ce implică faptul că proprietățile particulelor (masele, energiile și spinurile lor) pot corespunde proprietăților buclelor lui Wilson - obiectele de bază ale teoriei gravitației cuantice bucle. Această lucrare poate fi considerată ca suport teoretic suplimentar pentru modelul preon Bilson-Thompson [13] .
Folosind formalismul modelului de spumă de spin, care este direct legat de teoria gravitației cuantice bucle și bazat doar pe principiile inițiale ale acestuia din urmă, se pot reproduce și alte particule ale modelului standard, cum ar fi fotonii, gluonii . 14] și gravitonii [15] [16] - indiferent de schema Bilson-Thompson brad pentru fermioni. Cu toate acestea, din 2006, acest formalism nu a fost încă capabil să construiască modele gelon. Nu există creier în modelul gelon care ar putea fi folosit pentru a construi bosonul Higgs, dar în principiu acest model nu neagă posibilitatea existenței acestui boson sub forma unui fel de sistem compozit. Bilson-Thompson notează că, deoarece particulele cu mase mai mari au în general o structură internă mai complexă (ținând cont și de răsucirea bradurilor), această structură poate fi legată de mecanismul de formare a masei. De exemplu, în modelul Bilson-Thompson, structura unui foton cu masă zero corespunde bradurilor nerăsucite. Adevărat, nu este încă clar dacă modelul fotonic obținut în cadrul formalismului spumei spin [14] corespunde fotonului Bilson-Thompson, care în modelul său constă din trei panglici nerăsucite [11] (este posibil ca în cadrul a formalismului spin spuma se pot construi mai multe variante ale modelului fotonic).
Inițial, conceptul de „preon” a fost folosit pentru a desemna subparticulele punctuale incluse în structura fermionilor cu semi-spin (leptoni și quarci). După cum sa menționat deja, utilizarea particulelor punctiforme duce la un paradox al masei. În modelul Bilson-Thompson, panglicile nu sunt structuri punctuale „clasice”. Bilson-Thompson folosește termenul „preon” pentru a păstra continuitatea în terminologie, dar desemnează cu acest termen o clasă mai largă de obiecte care sunt componente ale structurii quarcilor, leptonilor și bosonilor gauge.
Important pentru înțelegerea abordării Bilson-Thompson este că în modelul său preon, particulele elementare, cum ar fi un electron, sunt descrise în termeni de funcții de undă. Suma stărilor cuantice ale spumei spin având faze coerente este descrisă și în termeni de funcție de undă. Prin urmare, este posibil ca cu ajutorul formalismului spumei spin să se poată obține funcții de undă corespunzătoare particulelor elementare (fotoni și electroni). În prezent, unificarea teoriei particulelor elementare cu teoria gravitației cuantice bucle este un domeniu foarte activ de cercetare [17] .
În octombrie 2006, Bilson-Thompson și-a modificat lucrarea [18] observând că, deși modelul său a fost inspirat de modele preon, nu este strict preon, așa că diagramele topologice din modelul său preon pot fi folosite cel mai probabil și în alte teorii fundamentale, cum ar fi ca, de exemplu, teoria M. Restricțiile teoretice impuse modelelor preon nu sunt aplicabile modelului său, deoarece în el proprietățile particulelor elementare provin nu din proprietățile subparticulelor, ci din legăturile acestor subparticule între ele (brads). Într-o versiune modificată a lucrării sale, Bilson-Thompson recunoaște că problemele nerezolvate în modelul său sunt spectrul de masă al particulelor, spinurile, amestecarea Cabibbo și necesitatea de a lega modelul său de teorii mai fundamentale. Una dintre posibilități este, de exemplu, „încorporarea” preonilor în teoria M sau în teoria gravitației cuantice în buclă.
O versiune ulterioară a articolului [19] descrie dinamica brads folosind mișcările Pachner.
În conformitate cu principiul incertitudinii Heisenberg , prin urmare, orice entitate limitată într-o regiune a spațiului cu dimensiuni caracteristice mai mici decât Δx trebuie să aibă impulsuri caracteristice mai mari decât . În modelele preon, se propune utilizarea unor obiecte care au dimensiuni mai mici decât particulele formate din aceste obiecte. Prin urmare, în conformitate cu principiul incertitudinii, momentele p ale acestor obiecte trebuie să depășească momentele particulelor compozite.
Unul dintre modelele de preon a apărut în 1994 ca un produs secundar al unui raport intern privind funcționarea detectorului de coliziune la Laboratorul Fermi (Detectorul de coliziune la Fermilab, CDF), situat la Tevatron . A fost propus după ce un exces inexplicabil de jeturi cu energii ce depășesc 200 GeV a fost descoperit într-o serie de măsurători în anii 1992-1993 .
Experimentele cu accelerație arată că quarkurile și leptonii sunt „punctuali” până la distanțe de ordinul 10-18 m (aproximativ 1/1000 din diametrul protonului). Indiferent de masa preonului închis într-un volum atât de mic, impulsul său, în conformitate cu principiul incertitudinii, trebuie să fie de cel puțin 200 GeV, care este de 50.000 de ori mai mare decât masa în repaus a cuarcului u și de 400.000 de ori mai mare decât masa unui electron.
Astfel, paradoxul constă în faptul că quarcii și electronii compoziți, care au mase relativ mici, ar trebui să fie formați din particule mai mici, care, în același timp, au multe ordine de mărime o masă energetică mai mare datorită momentului lor uriaș.
În modelul de preon Bilson-Thompson, paradoxul de masă este ocolit prin negarea faptului că preonii sunt obiecte punctiforme conținute într-un volum de 10-18 m. În schimb, se argumentează că preonii sunt panglici extinse (bidimensionale), nu neapărat închise în un volum mic. Mai degrabă, ele ar fi mai bine reprezentate ca un fel de abateri de la geometria sau pliurile topologice ale spațiului-timp care există în triplete și interacționează ca și cum ar fi structuri punctuale dacă sunt împletite sub forma unor stări conectate de tripleți. Mai mult, toate celelalte proprietăți ale acestora care corespund proprietăților particulelor elementare (cum ar fi masele și sarcinile) sunt, de asemenea, emergente . Prin urmare, momentele unor astfel de creiere sunt comparabile cu momentele particulelor formate din ele.
Teoria corzilor introduce obiecte unidimensionale cu o lungime de ordinul lungimii Planck și se presupune că particulele modelului standard constau din aceste obiecte. Astfel, se pare că și teoria corzilor se confruntă cu paradoxul de masă. Unul dintre teoreticienii corzilor, Lubos Motl, a oferit următoarea explicație a modului în care acest paradox este rezolvat în teoria corzilor (această explicație este inclusă aici cu acordul său). Coordonata X 0 a șirului din sistemul de coordonate al centrului de masă și impulsul său corespund unei particule punctiforme. Ei, așa cum era de așteptat, nu fac naveta și se supun principiului incertitudinii (o anumită valoare corespunde incertitudinii în și invers, în timp ce produsul lor este egal cu ).
Pe lângă modurile zero (grade de libertate în sistemul centrului de masă), fiecare șir are un număr infinit de grade de libertate, similar cu un atom cu un număr mare de electroni. Dar un număr infinit de elemente pot fi plasate de-a lungul șirului. Mișcarea părților șirului una față de alta duce la sumele obișnuite de energii cinetice și potențiale. Întrucât corzile sunt obiecte relativiste, energiile lor vor corespunde maselor în conformitate cu formula lui Einstein .
Ca urmare, pentru o coardă la cel mai scăzut nivel de energie, există un echilibru între gradele interne de libertate (energii cinetice și potențiale) - aproximativ același ca atunci când se minimiza energia într-un oscilator armonic , sub rezerva principiului incertitudinii dintre grade interne de libertate X și P. Minimul corespunde mărimii caracteristice a coardei, determinată de elasticitatea acesteia, despre care se crede că este aproape sau ceva mai mare decât lungimea Planck ( m).
În realitate, coeficienții numerici din expresia energiei șirului diverge logaritmic, dar acest lucru nu afectează rezultatele experimentelor care operează cu energii finite. Astfel, în teoria corzilor problema este rezolvată în același mod ca și pentru particulele obișnuite, având în vedere faptul că doar modurile zero sunt esențiale. Gradele interne de libertate sunt importante numai atunci când se evaluează acuratețea măsurătorilor, când se investighează structura internă a particulelor. Prin urmare, „razele” lor măsurate se vor dovedi întotdeauna a fi de ordinul lungimii șirului.
Orice model preon trebuie să explice chiralitatea particulelor și, de asemenea, să satisfacă condițiile de reproducere a anomaliilor lui 't Hooft . În mod ideal, structura oricărei noi teorii ar trebui să fie mult mai parcimonioasă decât cea a modelului standard.
Multe modele preon implică utilizarea de noi forțe și interacțiuni (neobservabile), uneori facând aceste modele mai complexe decât modelul standard sau conducând la predicții care contrazic observațiile.
De exemplu, dacă LHC reușește să detecteze bosonul Higgs (descoperit în 2012), atunci acest lucru ar trebui să excludă multe modele de preoni care fie nu reușesc să găsească o combinație de preoni corespunzătoare bosonului Higgs, fie să prezică că acest boson nu există.
În teoria corzilor, se postulează că toate particulele fundamentale ale modelului standard și superpartenerii lor sunt oscilații (excitații) ale corzilor ultramicroscopice cu o extensie de ordinul lungimii Planck, care posedă elasticitate și oscilează în spațiul Calabi-Yau cu 6 sau 7. dimensiuni spațiale compactate. Până acum, judecând după rezultate, teoria corzilor nu are mai mult succes decât modelele preon. Într-o discuție între John Baez și L. Mottle [20] , s-a sugerat că dacă vreunul dintre modelele de preon ar avea succes, atunci ar fi posibil să se formuleze o teorie a corzilor care să asimileze acest model de preon. Astfel, cele două teorii nu se contrazic, în principiu.
Există lucrări în care modelele de preon sunt construite pe baza superstringurilor [21] [22] sau a supersimetriei [23] .
În retipărirea din 1948 a romanului său din 1930 , Skylark of Space, Skylark-Three , Edward Elmer Smith a postulat particule pe care le-a numit „subelectroni de primul și al doilea fel”. Acestea din urmă au proprietăți care duc la apariția gravitației. Schimbările în romanele științifico-fantastice în timpul retipăririlor lor au urmat adesea dezvoltarea gândirii științifice, iar această ediție este poate una dintre primele care menționează posibilitatea ca electronul să fie o particulă compusă (cu excepția celebrei declarații a lui V. I. Lenin din 1908 că „ electronul este la fel de inepuizabil ca atomul” [24] – deși această frază nu aparține lui Lenin, ci fizicianului francez pe care îl citează, pe care Lenin o subliniază direct în text).
Particule ipotetice în fizică | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
particule fundamentale |
| ||||||||||
Particule compozite |
|