Preoni

Historia

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 ja primons. Preoni on kuitenkin vakiintunut yleisnimeksi kuvaamaan elektronien ja kvarkkien sisäistä rakennetta.
Hans Dehmelt luonnehti 1989 aineen syvimmäksi perusrakenteeksi Cosmon-nimisen hiukkasen, millä on määriteltävät ominaisuudet, mikä on pitkän, mutta rajallisen – yhä pienemmiksi muuttuvien alkeishiukkasten – ketjussa päätepiste.
Pyrkimykset kehittää leptonien ja kvarkkien alirakennetta menevät vähintään vuoteen 1974, jolloin Pati ja Salam Physical Review – lehdessä ehdottivat niitä. Artikkelin korjaus julkaistiin seuraavana vuonna.
Muita ehdotuksia on mm 1977 Terzawa, Chikashige ja Akaman 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, 1992 D'Souza ja Kalmannin julkaisema kirja, Dugnen, Fredrikssonnin, Hansson ja Predazzin julkaisema artikkeli 1998, joka myöhemmin julkistettiin kolmannen kerran vertaisarvioituna European Physical Journal – tiedejulkaisussa 2002. Tekijöistä Predazzia ei mainita 2002 julkaisussa, Bilson-Thompsonin julkaisema artikkeli 2005, de Souzan tekemä tutkielma 2008, ja Wesenbergin 2014 julkaisema tutkielma. 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.

Todistusaineiston puute

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

Massaparadoksi

Jos protonin sisältämä 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 yhdistelmäbosoneissa: pioneilla, mikä koostuu kvarkista ja antikvarkista on tämänlainen ominaisuus, mutta tätä menettelytapaa ei voi soveltaa fermioneihin.
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.
Erojen havainnollistamiseksi: esim. 100 GeV – 200 GeV (gigaelektronivolttia) – tai enemmän – olisi yksittäisen preonin energiamäärä ja yksittäisen elektronin 0,0005 GeV.

Teorioiden ristiriitaisuudet

Preoniteoriat ovat lähinnä yritys ja erehdys – pohjalta tehtyjä palapelejä, koska selkeän preonimallin rakentamisen ongelmat ovat valtavia. Lisäksi kaikilla malleilla on perustavanlaatuisia ongelmia, mitkä pysyvät ratkaisemattomina.
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.
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 rakennusosia riippuen siitä kuinka pieniä alkeishiukkasia on olemassa. Näin ollen molemmat voivat olla olemassa yhtä aikaa.
Hiukkasten ”pilkkomista” ei voida kuitenkaan jatkaa rajattomasti. Mitä syvemmälle niiden rakennetta 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).
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.