Preoni

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun


Preonit ovat hypoteettisia alkeishiukkasia joiden arvellaan olevan kvarkkien ja leptonien sisäisiä rakenneosasia. Osassa malleista myös välittäjähiukkaset, kuten fotonit koostuisivat preoneista. Sanan keksivät Jogesh Pati Ja Abdus Salam 1974. Kiinnostus preonimalleihin oli suosionsa huipulla 1980-luvulla, mutta se hiipui kun fysiikan standardimalli hiukkasfysiikassa kuvasi fysiikan ilmiöitä enimmäkseen menestyksellisesti ja suoraa kokeellista todistetta leptonien ja kvarkkien sisäisestä rakenteesta ei löytynyt.[1] [2]

Taustaa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ennen kuin standardimalli oli kehitetty 1970-luvulla (avain standardimalliin oli kvarkit joita ehdottivat Murray-Gell-Mann ja George Zweig 1964) fyysikot havainnoivat satoja erilaisia hiukkasia hiukkaskiihdyttimissä. Näiden fysikaaliset ominaisuudet luokiteltiin lähinnä tilapäisesti erilaisiin luokkiin hieman samaan tapaan kuin taksonomia ryhmittelee eläimiä biologiassa. Suurta määrä hiukkasia kutsuttiin hiukkasfyysikoiden arkikielessä hiukkaseläintarhaksi (particle zoo).

Standardimalli mikä on nykyisin vallitseva malli hiukkasfysiikassa yksinkertaisti tilannetta näyttämällä, että valtaosa havaituista hiukkasista joita havaittiin yhä - etenevässä määrin tehokkaammista hiukkaskiihdyttimissä - olivat teorian mukaan vain yhdistelmiä kvarkeista. Lisäksi leptonien eri muodot elektroni, Myoni, Tau, Elektronin neutriino, Myonin neutriino, Taun neutriino ja näiden hiukkasten antihiukkaset selkeyttivät tilannetta.

Standardimallissa on monenlaisia erilaisia hiukkasia. Yksi näistä on kvarkki ja niitä on kuusi kappaletta ja niitä tulee kolmella eri värivarauksella: punainen, vihreä ja sininen mitkä aiheuttavat kvanttivärindynamiikan (QCD). Toinen hiukkasten muoto on leptonit ja niitä on kuusi erilaista. Näistä kuudesta leptonista kolme niistä on varautuneita hiukkasia, elektroni muoni ja tau. Neutriinot ovat kolme jäljelle jäävää leptonia. Standardimallissa on myös bosoneita: fotonit, W+, W-, Z bosonit: Gluonit, higginsin bosoni ja vielä avoin tila jätetty gravitonille. Miltei kaikilla näillä hiukkasilla on ”vasenkätinen” ja ”oikeakätinen” vaihtoehto (katso Kiraalisuus). Kvarkeilla, leptoneilla ja w bosonilla on myös antihiukkaset joilla on vastakkainen sähkövaraus.

Standardimallilla on myös ongelmia, mitä ei ole täysin ratkaistu. Esimerkiksi gravitaatiolle ei ole keksitty toimivaa kvanttitason kuvaavaa teoriaa (katso Kvanttigravitaatio). Vaikka jotkut mallit olettavat gravitonin olemassaoloa niin kaikki yritykset tuottaa sisäisesti ristiriidaton teoria malleihin perustuen ovat epäonnistuneet. Lisäksi massa on edelleen mysteeri standardimallissa. Vaikka massa kaikissa havaituissa hiukkasissa seuraavat tietynlaista säännönmukaisuutta, ennusteet niiden lepomassasta eivät ole täsmällisiä. Higginsin bosoni selittää miksi hiukkasilla on liikemassa, mutta sei ei selitä lepomassaa.

Standardimallilla on myös vaikea ennustaa suuren kokoluokan rakenteita astronomiassa. Esimerkiksi SM ennustaa tasaisen määrän ainetta ja antiainetta maailmankaikkeudessa, mikä ei tutkitusti pidä paikkaansa. Lukuinen määrä ”korjaus” yrityksiä on tehty, mutta yksikään ei ole yleistynyt. Lisäksi standardimalli ennustaa protonin hajoamista, mitä ei ole havaittu.

Preoniteorioissa pyritään toistamaan alkuaineiden jaksollisen järjestelmän ja standardimallin ”hiukkaseläintarhan” kesyttämisessä tapahtuneet menestystarinat, joissa löydettiin perustavanlaatuisempi vastaus rakenteisiin. Ne ovat yksi monista malleista joita on laitettu selittämään kokeellisen ja teoreettisen hiukkasfysiikan ongelmia. Preoniteoriat ovat vetäneet mukaansa suhteellisen vähän tutkijoita tähän mennessä hiukkasfyysikoiden keskuudessa.

Vuorovaikutus Rakenne[3]
Yhdistelmä Yksinkertainen
Sähkömagnetismi Molekyyli Atomi
Vahva Atomiydin Ydinhiukkanen
Supervahva Kvarkki Preoni
Elektroni Preoni

Motivaatiot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Preoni tutkimuksella on taustalla halu selittää ja tunnetut faktat uudella tavalla


  • Vähentää hiukkasten suurta määrää, mitkä eroavat ainoastaan sähkövaraukseltaan pienemmäksi määräksi yhä perustavanlaatuisempia hiukkasia. Esimerkiksi elektroni ja positroni ovat identtisiä paitsi sähkövarauksensa osalta ja preoni tutkimus on motivoitunut selittämään, että elektronit ja positronit koostuvat samankaltaisista preoneista, millä erona on vain erilainen sähkövaraus. Toivona on toistaa (redutionistinen) strategia mikä on toiminut alkuaineiden jaksollisen järjestelmän kohdalla
  • Selittää kolme eri aineen sukupolvea, jotka esiintyvät fermionieilla.
  • Laskea asioita, joita ei standardimallin avulla pysty päättelemään, kuten hiukkasten massa, sähkövaraus, ja värivaraus ja vähentää lukuisia standardimallin vaativia muuttujia.
  • Selittää syyt suurille massaeroille, joita havaitaan oletettujen alkeishiukkasten kohdalla elektroni neutriinosta ylöskvarkkiin.
  • Selittää sähköheikko symmetriarikko ilman higginsin kenttää, mikä vastaavasti mahdollisesti vaatii supersymmetriaa toimiakseen higginsin kentän kanssa. Supersymmetriassa itsessään on teoreettisia ongelmia.
  • Tehdä hyödyllisiä ennusteita. Esimerkiksi olemalla mahdollinen ns. kylmän pimeän aineen kandidaatti.
  • Kertoa miksi on olemassa vain havaittu määrä hiukkasia monista muista vaihtoehdoista ja tuottaa vain havaittuja hiukkasia. (koska havaitsemattomat hiukkaset ovat suuri teoreettinen ongelma esimerkiksi supersymmetriassa.)

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lukuisa määrä fyysikoita on yrittänyt kehittää teoriaa alikvarkeista ja alileptoneista ”pre-quarks” (mistä nimi preoni juontaa juurensa) selittääkseen teoreettisesti monet standardimallin osat jotka tiedetään vain kokeellisen tiedon pohjalta.

Muita nimiä ehdotetuille alkeishiukkasille on monia mm. Prequarks, subquarks, maons, aplons, quinks, rishons, tweedels helons, haplons, y-particles, primons, cosmons. Preoni on kuitenkin vakiintunut yleisluonteiseksi sanaksi kuvaamaan elektronien ja kvarkkien sisäistä rakennetta.

Pyrkimykset kehittää leptonien ja kvarkkien alirakennetta menevät vähintään vuoteen 1974, jolloin Pati ja Salam Physical Review – lehdessä ehdottivat niitä. Muita ehdotuksia on mm 1977 Terzawa Chikashige ja Akama:n julkaisema artikkeli. Samankaltaisia, mutta näistä riippumattomia artikkeleita on muun muassa 1979 julkaissut Ne'eman, Harari Shupe, 1981 julkaistu artikkeli jonka tekijöinä on Fritzsch ja Mandelbaum ja 1992 D'Souza ja Kalman:nin toimesta julkaistu kirja. Yksikään näistä ei tullut yleisesti hyväksytyksi fyysikoiden keskuudessa.

Jokainen preonimalli olettaa pienemmän määrän alkeishiukkasia kuin standardimallissa on, vähemmän ohjaavia sääntöjä joilla alkeishiukkaset toimivat. Perustuen näihin sääntöihin, preonimallit pyrkivät ennustamaan standardimallissa pieniä poikkeamia ja tuottamaan uusia hiukkasia ja aiheuttamaan ilmiöitä, mitkä eivät kuulu standardimalliin. Rishon malli selittää tyypilliset pyrkimykset alalla. Monet preonimallit teoretisoivat epäsuhteesta materian ja antimaterian välillä niin, että niiden epäsuhta olisi illuusio ja suuri määrä preonitason antimateriaa olisi vangittuina monimutkaisiin rakenteisiin.

Monet preonimallit eivät ota huomioon higginsin bosonia tai hylkäävät sen.

Rishon malli ja Haplon malli[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Rishon malli on aikaisin preonimalli. Sitä kehittivät Haim Harari ja Michael A. Shupe (toisistaan riippumatta) ja sitä laajensivat Harari ja hänen sen aikainen oppilas Nathan Seiberg. Mallissa on kaksi alkeishiukkasta: T, minkä varaus on 1/3 e ja V, mikä on sähköisesti neutraali. Mallissa on vain fermionisia hiukkasia. [4]

Preoni Sähkövaraus Supervärivaraus Värivaraus
T e/3 3 3
V 0 3 \bar{3}

Haplon mallissa preonit ovat fermioni-bosoni yhdistelmiä ja niitä on neljä. Mallissa on vasen ja oikeakätisiä neutriinoja. [5]

Preoni Sähkövaraus Supervärivaraus SU (N) Värivaraus
\alpha e/2 N 1 tai \bar{3}
\beta -e/2 N 1 tai \bar{3}
x e/6 \bar{N} 3 tai \bar{3}
y -e/2 \bar{N} 1 tai 3



Kaikissa malleissa on myös preoneiden antihiukkaset, joita ei erikseen mainittu.

Ei ole olemassa vakiintunutta ”standardimallia” ja yllä olevat mallien kuvaukset ovat yksinkertaistuksia.[6]

Mikäli preoneja on, ne toisivat mukanaan uuden vuorovaikutuksen, jota kutsutaan supervärivoimaksi (supercolour) tai supervahvaksi vuorovaikutukseksi, joka sitoo preonit kiinni toisiinsa samoin kuin kvarkkien värivoima/vahva vuorovaikutus. Kukaan ei tiedä miten voisi rakentaa toisenlaisen järjestelmän, jossa ei pitäisi tukeutua kvanttiväridynamiikkaan (QCD). Tämän takia monet QCD teorian ominaisuudet tulevat automaattisesti sisällytetyksi preoniteorioihin haluttiin näin tai ei.[7]

Tammikuussa 1996 Fermin laboratorion Tevatron-törmäyttimellä aikaansaaduissa suurienergiaisten kvarkkien törmäyksissä havaittiin paljon sellaisia törmäyksiä, joissa kvarkit sirosivat toisistaan voimakkaasti sivusuuntaan. Ilmiön voisivat aiheuttaa esimerkiksi kvarkkien sisäisen rakenteen osaset. [8]

Muita mainittavia malleja muun muassa:

  • · Fritzch – Mandelbaum Mallit (Halplon Mallit)
  • · Harari – Seiberg – Shupe Mallit (Rishon Mallit)
  • · Terazawa WCH Mallit
  • · Abbot– Farahi mallit
  • · Greenberg-Mohapatra-Yasuè Mallit
  • · Matsushima Mallit
  • · Yasuè Malli
  • · Geng and Marshak Malli

[9]

Kritiikki[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Todistusaineiston puute[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Minkäänlaista empiiristä todistusaineistoa preonien olemassaolosta ei ole löytynyt oli sitten kyseessä fermionit tai bosonit. Fysiikka on empiirinen tiede ja vaikka teoria olisi miten hieno se on virheellinen, mikäli mittaukset eivät tue sitä. [10] [11]

Massaparadoksi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Jos protonien sisältämän preonien massa laskettaisiin yhteen, sillä olisi enemmän massaa kuin mitatulla protonin massalla. Syynä on se, että massa on kääntäen verrannollinen niin sanottuun vangittuun tilaan. Toisin sanoen protoni olisi vähemmän kuin summiensa osa massan suhteen, mikä aiheuttaa päänvaivaa fyysikoille. Sanalla vankeus tarkoitetaan tässä asiayhteydessä sitä, että preonit olisivat kvarkkien tapaan vangittuina toisiinsa, yhtäkään kvarkkia ei ole tähän mennessä havaittu yksittäisenä.

Fysiikassa esiintyy tämän kaltaisia tilanteita, joissa hiukkanen on vähemmän kuin summiensa osa, esimerkiksi bosoneissa: Pi mesonilla on tämänlainen ominaisuus, mutta tätä menettelytapaa ei voi soveltaa fermioneihin, joihin leptonit ja kvarkit kuuluvat. [12]


Teorioiden ristiriitaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Preoniteoriat ovat lähinnä yritys ja erehdys – pohjalta tehtyjä palapelejä, koska selkeän preoni mallin rakentamisen ongelmat ovat valtavia. Lisäksi kaikilla malleilla on perustavanlaatuisia ongelmia, mitkä pysyvät ratkaisemattomina. [13]

Preonimalleista puhuttaessa on myös hyvä pitää mielessä, että ne ovat prototyyppejä ja moni niistä on muunnelmia parhaiten tunnetuista malleista – ja usein jakavat myös samat puutteellisuudet kuin alkuperäisteoriat. Useimmissa teorioissa on vain yksi sukupolvi hiukkasia ja muut hiukkaset ovat virittyneitä versioita (korkeampaan energiatilaan siirtyneitä preoneita). Yksi tyypillisemmistä ongelmista useimmissa malleissa on ei-halutut eksoottiset hiukkaset joita ei ole löydetty luonnossa. Ei myöskään tiedetä yhtään menetelmää, jota seurattaessa (edes teoriassa) saataisiin rakennettua sisäisesti ristiriidaton malli.[14]

Preonit eivät ole yksin kvarkin ja elektronin halkaisun eturintamassa, vaan esimerkiksi säieteoriassa otaksutaan, että pienet värähtelevät säikeet ovat kaiken aineen pienin mahdollinen muoto. Mikäli säikeitä on olemassa, on mahdollista, että ne ovat preonien tai pre-preonin tai pre-pre-preonin sisäisiä rakennusosasia riippuen siitä kuinka pieniä alkeishiukkasia on olemassa. Näin ollen molemmat voivat olla olemassa yhtä aikaa. [15]

Hiukkasten ”pilkkomista” ei voida kuitenkaan jatkaa rajattomasti. Mitä syvemmälle niiden ainetta tutkitaan sitä enemmän tarvitaan energiaa. Hiukkaskiihdyttimen erotuskyvyn (”suorituskyvyn”) määrää kiihdytettävien hiukkasten nopeus. Nopeus taas riippuu saatavasta kiihdytysenergiasta. Hiukkasten kiihdyttämiseen tarvittavan energian tuottamisessa törmätään johonkin rajaan (hiukkasilmaisimet, massan kasvu, laitekoko, hinta, tekniset ratkaisut)[16]

Fysiikka pohjautuu kuitenkin lopulta kokeelliseen tutkimukseen, eikä hyvinkin teoreettisesti muotoiltu malli välttämättä vastaa empiirisiä tutkimustuloksia. Esimerkiksi eetteriteoria 1800-luvun loppupuolella ja 1900-luvun alussa hylättiin virheellisenä kokeellisen tutkimusaineiston puutteesta.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]



Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Nature - "Splitting the quark".
  • Scientific American - "Inner life Of Quarks".
  • Itä-Suomen yliopisto - "Hiukkasseikkailu".
  • Fysiikka : 5 : Moderni fysiikka (Lehto, Heikki , Viljanmaa, Lauri, Nikkola, Jorma, Luoma, Tapani) 1996 (ISBN) 951-26-4101-1 1. painos s. 59
  • Fysiikka : 5 : Moderni fysiikka (Lehto, Heikki , Viljanmaa, Lauri, Nikkola, Jorma, Luoma, Tapani) 1998 (ISBN) 951-26-4101-1 1.-3. painos s. 59
  • Fysiikka : 5 : Moderni fysiikka (Lehto, Heikki , Viljanmaa, Lauri, Nikkola, Jorma, Luoma, Tapani) 2001 (ISBN) 951-26-4516-5 5.-6. painos s. 79
  • The Quantum Frontier: The Large Hadron Collider. Don Lincoln. Johns Hopkins University Press, 2009. "Linkki" . Don Lincoln. s. 51 – 52
  • Conceptual Foundations of Modern Particle Physics (1993) - Luku 9 Fermion generation problem and Preon model "Linkki".
  • A Composite Model of Leptons and Quarks. Michael A. Shupe in Physics Letters B, Vol. 86, No. 1, sivut 87–92; September 10, 1979.
  • A Schematic Model of Quarks and Leptons. Haim Harari in Physics Letters B, Vol. 86, No. 1, sivut 83–86; September 10, 1979.
  • Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects. Ian A. D’Souza and Calvin S. Kalman. World Scientific Publishing,1992

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Ian A. D’Souza and Calvin S. Kalman: "Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects. " World Scientific Publishing,1992,
  2. "Linkki" . s. 51 – 52
  3. Ian A. D’Souza and Calvin S. Kalman: "Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects. " World Scientific Publishing,1992, s. 58
  4. Ian A. D’Souza and Calvin S. Kalman: "Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects. " World Scientific Publishing,1992, s. 72
  5. Ian A. D’Souza and Calvin S. Kalman: "Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects. " World Scientific Publishing,1992, s. 71
  6. Ian A. D’Souza and Calvin S. Kalman: "Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects. " World Scientific Publishing,1992, s. 69 - 70
  7. Ian A. D’Souza and Calvin S. Kalman: "Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects. " World Scientific Publishing,1992, s. 57 - 58
  8. Lehto, Heikki , Viljanmaa, Lauri, Nikkola, Jorma, Luoma, Tapani: "Fysiikka : 5 : Moderni fysiikka]" 2001 (ISBN) 951-26-4516-5 5.-6. painos s. 79
  9. Ian A. D’Souza and Calvin S. Kalman: "Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects. " World Scientific Publishing,1992, s. 70 - 79
  10. Ian A. D’Souza and Calvin S. Kalman: "Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects. " World Scientific Publishing,1992, s. 99
  11. "Inner life Of Quarks"" Scientific American,
  12. Don Lincoln: ""Inner life Of Quarks"" Scientific American,
  13. Ian A. D’Souza and Calvin S. Kalman: "Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects. " World Scientific Publishing,1992, s. 35
  14. Ian A. D’Souza and Calvin S. Kalman: "Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects. " World Scientific Publishing,1992, s. 69 - 70
  15. "Inner life Of Quarks"" Scientific American,
  16. Lehto, Heikki , Viljanmaa, Lauri, Nikkola, Jorma, Luoma, Tapani: "Fysiikka : 5 : Moderni fysiikka]" 2001 (ISBN) 951-26-4516-5 5.-6. painos s. 79