Preoni

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun


Preonit ovat hypoteettisia alkeishiukkasia joiden arvellaan olevan kvarkkien, leptonien ja bosonien sisäisiä rakenneosasia. 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]


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.

Standardimalli. Huomaa vasemmalta oikealle luettaessa kasvava fermionien massa, mikä voi olla vihje sisäisestä hienorakenteesta.[2]

Standardimallissa on monenlaisia erilaisia hiukkasia. Yksi näistä on kvarkki ja niitä on kuusi kappaletta ja niitä tulee kuudella eri värivarauksella: punainen, vihreä ja sininen ja näiden antivärit antipunainen antivihreä ja antisininen. Nämä aiheuttavat kvanttivärindynamiikan (QCD). Värivarauksella ei ole mitään tekemistä arkielämän värien kanssa vaan se on sovittu nimi, jolla kuvataan kvarkkien toimintaa. 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 se 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
Hypervahva 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 elektronin 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 Hypervärivaraus Värivaraus
T e/3 3 3
V 0 3 \bar{3}
Sähkövaraus Preoni sisältö Hiukkanen
Fermionit Rishon mallissa
+1 TTT Positroni (antimateria elektroni)
+2/3 TTV Ylöskvarkki
+1/3 TVV Antimateria alaskvarkki
0 VVV Elektronin neutriino
0 -V-V-V Elektronin antineutriino
-1/3 -T-V-V Alaskvarkki
-2/3 -T-T-V Antimateria

Ylöskvarkki

-1 -T-T-T Elektroni
Bosonit Rishon mallissa
+1 TTTVVV Positiivinen W bosoni
-1 -T-T-T-V-V-V Negatiivinen W bosoni
0
  • VVV-V-V-V
  • TTT-T-T-T
  • TT-T-TV-V
  • T-TV-VV-V



Z Bosoni

(4 versiota)

0 T-T Fotoni

Gluonien sisäinen rakenne on monimutkaisempi ja on jätetty tästä luokittelusta pois.[5]

Haplon mallissa preonit ovat fermioni-bosoni yhdistelmiä ja niitä on neljä. Mallissa on vasen ja oikeakätisiä neutriinoja. [6]

Preoni Sähkövaraus Hypervärivaraus 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.[7]

Mikäli preoneja on otaksutaan useissa malleissa, että ne toisivat mukanaan uuden vuorovaikutuksen, jota kutsutaan hypervärivoimaksi (hypercolor interaction) tai hypervahvaksi vuorovaikutukseksi, joka sitoo preonit kiinni toisiinsa kvarkeissa, leptoneissa ja bosoneissa. Osassa malleissa esimerkiksi Terazawa WCH mallissa preonit kantavat aineen perhelukua, mikä selittäisi aineen eri sukupolvet. Terazawa WCH mallissa ei täsmennetä, mikä sitoo preonit kiinni toisiinsa.[8]

Hypervärivoimaa kuvaavat teoriat tukeutuvat kvanttiväridynamiikkaan (QCD). Kukaan ei tiedä miten voisi rakentaa toisenlaisen järjestelmän, jossa ei pitäisi tukeutua kvanttiväridynamiikkaan (QCD). Tämän takia monet QCD teorian kaltaiset ominaisuudet tulevat automaattisesti sisällytetyksi preoniteorioihin haluttiin näin tai ei.[9]

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. [10]

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 Malli
  • · Matsushima Malli
  • · Yasuè Malli
  • · Geng ja Marshak Malli

[11]

Kritiikki[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Todistusaineiston puute[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Minkäänlaista empiiristä todistusaineistoa preonien olemassaolosta ei ole löytynyt oli sitten kyseessä fermionit tai bosonit, minkä takia valtaosa fyysikoista on odottavalla kannalla hiukkasen suhteen.[12] Fysiikka on empiirinen tiede ja vaikka teoria olisi miten hieno se on virheellinen, mikäli mittaukset eivät tue sitä. [13] [14]

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.

Kolme aineen luokkaa

Fysiikassa esiintyy tämän kaltaisia tilanteita, joissa hiukkanen on vähemmän kuin summiensa osa, esimerkiksi bosoneissa: Pi mesonilla, mikä koostuu kvarkista ja antikvarkista on tämänlainen ominaisuus, mutta tätä menettelytapaa ei voi soveltaa fermioneihin, joihin leptonit ja kvarkit kuuluvat. [15]

Hiukkasfysiikassa esiintyy muutenkin tilanteita, jossa hiukkasten massa on vähemmän kuin ne erikseen mitattuna. Tätä kutsutaan massavajeeksi. Esimerkiksi vetyatomin massa on himpun verran pienempi kuin elektronin ja protonin erikseen. Ydinhiukkasten kohdalla massavaje voi nousta muutamiin prosentteihin niiden kokonaismassoista. Massavajeessa pieni osa massaa muuntuu hiukkasten sidosenergiaksi.

Preonien kohdalla laskettu massa ja kvarkeilla ja leptoneilla tosiasiassa havaittu massa - eroavat valtavasti mittasuhteiltaan, mikä voi perustua siihen, että preonien yhdistyminen tuo niin valtavan sidosenergian, että ne kumoaisivat tosiasiallisen massan miltei kokonaan.[16]

Erojen havainnollistamiseksi: esim. 100 GeV - 200 GeV (Gigaelektronivolttia) - tai enemmän- olisi yksittäisen preonin energiamäärä ja yksittäisen elektronin 0,0005 GeV.[17][18]

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. [19]

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.[20]

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. [21]

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)[22]

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]

  • Splitting the quark. Philip Ball, Nature, 30.11.2007 "Splitting the quark"
  • Inner life Of Quarks. Don Lincoln. Scientific American, Marraskuu 2012 "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.
  • Conceptual Foundations of Modern Particle Physics. Robert Eugene Marshak, World Scientific Publishing, 1993. - Luku 9 Fermion generation problem and Preon model
  • A Composite Model of Leptons and Quarks. Michael A. Shupe, Physics Letters B, Vuosikerta 86, Numero 1, 10.9.1979, sivut 87–92;
  • A Schematic Model of Quarks and Leptons. Haim Harari, Physics Letters B, Vuosikerta 86, Numero 1, 10.9.1979, sivut 83–86.
  • Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects. Ian A. D’Souza and Calvin S. Kalman. World Scientific Publishing,1992.
  • Albert Einstein Memorial Lectures. Jacob D. Bekenstein, Raphael Mechoulam. World Scientific Publishing, The Israel Academy of Sciences and Humanities, 9.5.2012, - Artikkeli "The Structure of Quarks and Leptons" Tekijä: Haim Harari - s.47 - 79

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Robert Eugene Marshak : "Conceptual Foundations of Modern Particle Physics (1993)" World Scientific Publishing, 1993, s. 70
  2. "Inner life Of Quarks"" Scientific American, s. 39
  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. "Inner life Of Quarks"" Scientific American, s. 40
  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. 71
  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. 69 - 70
  8. 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 - 73
  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. 57 - 58
  10. Lehto, Heikki , Viljanmaa, Lauri, Nikkola, Jorma, Luoma, Tapani: "Fysiikka : 5 : Moderni fysiikka]" 2001 (ISBN) 951-26-4516-5 5.-6. painos s. 79
  11. 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
  12. Don Lincoln: "The Quantum Frontier: The Large Hadron Collider. " Johns Hopkins University Press, 2009, s. 51 – 52
  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. 99
  14. "Inner life Of Quarks"" Scientific American, s. 42
  15. ""Inner life Of Quarks"" Scientific American, s. 41
  16. Jacob D. Bekenstein, Raphael Mechoulam: "Albert Einstein Memorial Lectures" World Scientific Publishing, The Israel Academy of Sciences and Humanities, 9.5.2012, s. 73
  17. Jacob D. Bekenstein, Raphael Mechoulam: "Albert Einstein Memorial Lectures" World Scientific Publishing, The Israel Academy of Sciences and Humanities, 9.5.2012, s. 71
  18. A. V. Ling: Focus on Boson Research" Nova Science Publisher, 15.5.2005, s. 137
  19. 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
  20. 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
  21. "Inner life Of Quarks"" Scientific American, s. 42
  22. Lehto, Heikki , Viljanmaa, Lauri, Nikkola, Jorma, Luoma, Tapani: "Fysiikka : 5 : Moderni fysiikka]" 2001 (ISBN) 951-26-4516-5 5.-6. painos s. 79