I partikelfysik kan præoner sammenlignes med punktpartikler , hypotetiske underkomponenter af kvarker og leptoner .
Konceptet blev formuleret af Jogesh Pati (in) og Abdus Salam i 1974. Interessen for modeller préons toppede i 1980'erne og faldt derefter, når standardmodellen for partikelfysik er kommet frem, og at intet direkte eksperimentelt bevis har tilladt at fremhæve præoner eller at tilbagevise den punktlige karakter af leptoner og kvarker .
I hadronfysik forbliver et par spørgsmål imidlertid åbne og genererer effekter, der betragtes som uregelmæssigheder i standardmodellen, for eksempel:
Før Standardmodellen blev udviklet i 1970'erne (nøgleelementer Standardmodellen kendt som "kvarker" blev foreslået af Murray Gell-Mann og George Zweig i 1964), fysikere observerede hundredvis af forskellige slags partikler i partikel acceleratorer . De grupperede, identificerede, navngav og klassificerede dem efter deres karakteristika, lidt som taksonomi, der sigter mod at beskrive levende organismer. Det er derfor ingen overraskelse, at dette store antal partikler af fysikere blev udpeget som "bestiariet for partikler".
Den model, der i øjeblikket hersker som standardmodellen for fysik, forenkler dette billede dramatisk ved at vise, at de fleste af de observerede partikler er mesoner, identificeret som kombinationer af to kvarker eller baryoner, kombinationer af tre kvarker plus en håndfuld andre partikler. Disse partikler, mesoner og baryoner, som observeres i stadig stærkere acceleratorer, ville ifølge teorien generelt ikke være andet end kombinationer af kvarker.
Inden for standardmodellen er der flere forskellige slags partikler. En af dem, kvarker, er klassificeret i seks forskellige typer, og der er tre sorter i hver type (med en "farveladning": rød, grøn og blå, taget i betragtning ved kvantekromodynamik uden at udelade tilfældet med anti-kvarker , som er deres antipartikler, og som vi tilskriver en anti-farve ladning).
Der er også seks forskellige slags hvad der kaldes leptoner. Blandt disse seks leptoner er der tre ladede partikler: elektronen , muonen og tauonen . De neutrinoer er de andre tre leptonerne og neutrinoer for hver er der en tilsvarende partikel i det andet sæt af tre leptoner. I standardmodellen er der også bosoner: fotoner , Z 0 , W + og W - bosoner , de otte gluoner og Higgs-bosonen plus potentielt tyngdekraften . Næsten alle disse partikler kommer i "venstrehåndede" eller "højrehåndede" versioner (se chiralitet ). Quarks, leptoner og W-bosoner har alle en antipartikel med en modsat elektrisk ladning.
Standardmodellen indeholder også en række problemer, som ikke er løst fuldt ud. Især er der endnu ikke etableret nogen vellykket teori om tyngdekraft inden for rammerne af partikelfysik. Selvom standardmodellen antager eksistensen af et graviton, er alle forsøg på at producere en sammenhængende teori om denne partikel mislykkedes. Derudover forbliver massen et mysterium i standardmodellen. Kalman minder om, at i henhold til begrebet atomisme er de grundlæggende elementer i naturen "usynlige og udelelige mursten" af stof, som ikke kan produceres og er uforgængelige. Kvarker er dog ikke uforgængelige: nogle kan gå i opløsning (i andre kvarker). Man kan således estimere, at kvarkerne "skal" være sammensat af mere elementære enheder, som man kan kalde "præoner". Selvom masserne af alle successivt opdagede partikler følger et bestemt mønster, kan forudsigelsen af værdien af hvilemassen for de fleste partikler ikke præcist fastlægges, dog med undtagelse af masserne af næsten alle baryoner. Som er meget godt beskrevet af de Souza-modellen. Higgs-bosonen kan forklare, hvordan partikler erhverver inertimasse, men det kan ikke specificere deres masser i hvile.
Standardmodellen udgør også problemer med at forudsige universets store struktur. Det forudsiger generelt f.eks. Lige store mængder stof og antimateriale i universet, hvilket tydeligvis ikke ser ud til at være tilfældet. Der er gjort et antal forsøg på at "rette" denne mangel gennem en række forskellige mekanismer, men hidtil har ingen fået bred støtte. Ligeledes antager vedtagelsen af den grundlæggende model muligheden for protonforfald, men det er ikke blevet observeret.
Preon-modellen har således tiltrukket relativt lidt interesse til dato blandt partikelfysiksamfundet.
Søgen efter en teori om præonet er motiveret af ønsket om at ankomme for eksempel med at reducere det store antal typer af partikler, hvoraf nogle kun adskiller sig i ladning, for eksempel til et lille antal partikler, som ville være " mere elementær "
Elektronen og positronen er for eksempel de samme bortset fra ladningen, og søgningen efter præonen motiveres ved at forklare, at elektroner og positroner er sammensat af lignende præoner med den relevante forskel, der repræsenterer ladningen.
Håbet er at gengive den reduktionistiske strategi, der er implementeret for at udvikle elementernes periodiske system for at:
Et antal fysikere har forsøgt at udvikle en "pre-kvark" -teori (deraf stammer navnet fra) i et forsøg på at teoretisk retfærdiggøre de mange dele af standardmodellen, som kun er kendt fra eksperimentelle data og ikke vides at eksistere. ikke forklaret.
Forskellige navne er blevet anset for at betegne disse elementære partikler (eller partikler, der er mellemliggende mellem de grundlæggende partikler og dem, der er observeret i standardmodellen): "prequarks" ( prequarks ), "sub-quarks" ( subquarks ), "maons", "alphons" , "Quinks", "rishons", "tweedles", "helons", "haplons", "Y-parties" og "primons"; endelig er det navnet ”preon”, der fik støtte fra fysikernes samfund.
Bestræbelserne på at udvikle en sådan grundlæggende underliggende struktur dateres mindst til 1974 fra en publikation Jogesh Pati (in) og Abdus Salam in Physical Review, efterfulgt af tre publikationer i 1977 af Terazawa, Chikashige og Akama og på lignende måde men uafhængigt i 1979, artikler skrevet af Neeman, Harari og Shupe, derefter en artikel fra Fritzsch og Mandelbaum fra 1981 og en bog redigeret i 1992 af de Souza og Kalman. Ingen af disse publikationer har fået åbenlyst støtte i fysikens verden. Imidlertid viste de Souza i et nyligt arbejde, at hans model beskriver alle svage henfald af hadroner i henhold til udvælgelsesreglerne dikteret af et kvantetal, der stammer fra hans model af "partikelkonstruktion". I hans model er leptoner elementære partikler, og hver kvark består af to primoner, og derfor beskrives alle kvarker ved samspillet mellem fire primoner. Hver kvarkmasse er afledt af interaktionen mellem hvert par primoner ved hjælp af tre Higgs-bosoner. I sin åbningsforelæsning i 1989 af Nobelprisen beskrev Hans Dehmelt en elementær partikel som den mest grundlæggende med definerbare egenskaber, som han kaldte "cosmon" og fremkom som det sandsynlige slutresultat af en lang kæde, men endelig, af stadig mere elementære partikler.
Hver af de præonbaserede modeller postulerer eksistensen af et sæt af nogle få elementære partikler i stedet for de mere talrige i standardmodellen samt regler, der styrer, hvordan disse partikler fungerer. Baseret på disse regler forsøger præonmodeller at forklare standardmodellen, idet de ofte forudsiger små forskelle med denne model og genererer nye partikler ledsaget af visse fænomener, der ikke hører til standardmodellen. Rishon- modellen illustrerer nogle typiske indsatser i marken.
Mange præonbaserede modeller teoretiserer, at den tilsyneladende ubalance mellem materie og antimateriale i universet faktisk er illusorisk, med store mængder præoniveau antimateriale begrænset i mere komplekse strukturer.
Mange præonbaserede modeller ignorerer enten Higgs-bosonen eller sparker den ind og fremmer ideen om, at elektrosvækkende symmetri ikke brydes af et Higgs-skalarfelt, men af sammensatte præoner. For eksempel har Fredrikssons model ikke brug for Higgs-bosoner og forklarer elektro-svag forstyrrelse ved at omarrangere præoner i stedet for at formidle et Higgs-felt. Faktisk forudsiger Fredrikssons model og de Souzas model, at Higgs-bosonen i standardmodellen ikke eksisterer. Vi ved nu, at hvis ...
Da udtrykket "præon" blev opfundet, var det primært med det formål at forklare de to familier af spin -1/2 fermioner: leptoner og kvarker. I nyere teorier er præoner repræsenteret af spin 1-bosoner og kaldes altid "præoner".
Ideen til en preon-teori begyndte med et internt dokument ved Collider Detector at Fermilab (CDF), ca. 1994. Artiklen blev skrevet efter at et uventet og uforklarligt overskud af energistråler større end 200 GeV blev opdaget i perioden fra 1992 til 1993. imidlertid har spreder forsøg vist, at kvarker og leptoner er "point" op til afstandsskalaer på mindre end 10 -18 m (eller 1/1000 proton diameter). Usikkerheden ved dynamikken i et præon (uanset masse) begrænset til en brønd af denne størrelse er ca. 200 GeV / c, 50.000 gange større end hvilemassen på en opkvark og 400.000 gange større end hvilemassen på et elektron .
Den ubestemthedsprincippet af Heisenberg siger ΔxΔp ≥ H / 2, hvilket resulterer i en partikel overhovedet, indespærret i en mindre brønde at Dx, ville betyde mere dynamisk usikkerhed. Således foreslår præonteorien partikler, der er mindre end de elementære partikler, som de udgør, hvilket resulterer i en dynamisk usikkerhed Δp, der er meget større end selve partiklerne. Preon-teorien præsenterer derfor et masseparadoks: Hvordan kunne kvarker eller elektroner bestå af små partikler, der har mange størrelsesordener af massenergier, der stammer fra deres enorme dynamiske usikkerhed? Dette paradoks ville blive løst ved at postulere en stor bindende kraft mellem præoner, der annullerer deres massenergier, hvilket stadig er demonstreret.
I 2005 præsenterede en artikel af en australsk fysiker en model af sammensatte præoner. En preon ville blive assimileret med et bånd, og de forskellige slags preons ville svare til disse bånd snoet til højre, til venstre eller slet ikke snoet. I denne model kunne tre præoner flettes sammen, og de forskellige mulige kombinationer ville svare nøjagtigt til de forskellige partikler i standardmodellen. At tage hensyn til denne idé i teorien om sløjfekvantum tyngdekraft afslører, at de forskellige måder at komponere og knytte enderne af grafer i kvantrums-tid ikke ville være andet end de forskellige elementære partikler. Arbejdet med Lee Smolin , Sundance Bilson-Thompson (en) og Fotini Markopoulou (en) resulterede i opdagelsen af en model af præoner, der beskriver de enkleste partikeltilstande i en klasse af sløjfe kvantegravitationsteorier .