Preon

Arka plan

1970’lerde Standart Model (SM) geliştirilmeden önce ( Standart Modelin anahtar elementleri olan kuarklar 1964’te Murray Gell-Mann ve George Zweig’e itaf edilmiştir), fizikçiler parçacık hızlandırıcıların içerisinde yüzlerce farklı çeşit parçacık keşfetmişlerdir. Bunlar taksonomik şekilde gruplanmış hayvanların fiziksel özelliklerine tamamen dayalı olamayarak,  hiyerarşinin bilinen bir sisteminde fiziksel özelliklerine dayanarak organize olmuşlardır. Sürpriz olmayarak,, parçacıkların büyük sayısı “parçacık sıfır” olarak belirlenmiştir.
Şu an parçacık fiziğinin üstün gelen modeli olan Standart Model, dramatik bir şekilde bu resmi, çoğu gözlemlenen parçacıkların mesonlar denilen, üç kuark ve bir el dolusu başka parçacıktan oluşan iki kuark veya baryon kombinasyonları olduklarını göstererek basitleştirmiştir. Çok güçlü parçacık hızlandırıcılarında görülen parçacıklar teoriye göre tipik olarak bu kuarkların kombinasyonlarından başka bir şey değillerdir.
Standart Model çerçevesinde, parçacıkların birkaç farklı çeşidi vardır. Bunlardan biri olan kuarkların her biri içerisinde üç farklılığı olan ( “renkler” olarak kırımızı, yeşil ve mavi olmak üzere “kuantum kromodinamiklerinin” yükselmesini sağlayan) 6 değişik çeşit tipi vardır. Buna ek olarak, leptonlar olarak bilinen altı farklı çeşit daha vardır. Bu altı leptonun üç tane yüklü parçacığı vardır: elektron, muon ve tau. Nötrinolar diğer üç leptonları kapsarlar ve her bir nötrino için üç leptondan oluşan sette karşılık gelen bir üye vardır. Standart Modelde, fotonları da içeren (W+, W−, and Z bosons) bozonlar, onların da içerdiği gluonlar ve Higgs bozonu denilen graviton için açık bırakılmış bir boşluk vardır. Neredeyse bütün bu parçacıklar “sol el kullanan” veya “sağ el kullanan” olarak geirler. Kuarklar, leptonlar ve W bozonlarının  hepsinin karşıt yüklü antiparçacıkları vardır.
Standart Modelin tamamen çözülmemiş bazı problemleri vardır. Ayrıntılı olarak, parçacık teorisine bağlı bir yerçekimi teorisi hala öne sürülmedi ve bunun üzerine dayanan tüm teoriler çöktü. Buna ek olarak, Standart Modelde kütle hala bir gizem olarak duruyor. Buna ek olarak Kalman, atomizm konseptine göre, doğanın temel yapıtaşları görünmezdir ve bu yapıtaşları üretilmemiş ve parçalanamazdırlar düşüncesini ortaya koymuştur. Bu sebepten dolayı yerler-kuarklar temel miktarlarda-preonlardan oluşmuşturlar.  Her bir ardışık kütlenin parçacıkları belirli kalıpları izleseler de birçok parçacığın hareketsiz kütlesi, de Souza’nın modelinde çok iyi tarif edilmiş olan bütün baryonlar bu çerçeve dışında tutulduğu zaman, tam olarak yapılamamaktadır.  Higgs bozonu parçacıkların neden eylemsizlik kütlesi gösterdiğini açıklar ( fakat kütlenin geri kalanını açıklamaz).
Preon teorisi, periyodik tablonun başarılarının aynısını yapma hevesiyle motive olmuştur ve daha sonra Standart Model kendisi içerisindeki çok sayıda rastgele sabitlere daha temel bir açıklama bularak, “parçacık bahçesini”,  oluşturmuştur. Deneysel ve teoriksel parçacık fiziğine daha temel açıklamalar bulmaya çalışan birkaç modelden biridir. Preon modeli parçacı fiziği topluluğu tarafından daha az ilgi çekmiştir.

Tarihçe

Birkaç fizikçi, Standart Modelin sadece deneysel verilere dayan ve terik olan birçok kısmını düzenlemek için, “ön-kuarklar”( preon kelimesinin geldiği yer) için bir teori oluşturmayı denediler.
Öne atılan bu temel parçacıklar için kullanılan bazı isimler ( beya Standart Model içerisinde gözlemlenen ve birçok temel parçacık arasında orta seviyede olan), önkuarklar, altkuarklar, maonlar, alfonlar, kuinkler, rişonlar, tweedlelar, helonlar, haplonlar, Y-parçacıkları ve primonlardır. Preon fizik dünyasında öne çıkan isimdir.
Bir altyapı oluşturma çabaları, 1974’te Pati ve Salam’ın Fiziksel Gözdengeçirme içierisindeki kağıdına kadar dayanır. Bu denemelerden başkaları 1977’de Terazawa,Chikashige ve Akama’nın kâğıtları, benzer fakat bağımsız bir şekilde 1979 da Ne’eman, Harari ve Shupe’nin kâğıtları, 1981’de Fritzsch ve Mandelbaum’un kâğıtları ve 1992’de D’Souza ve Kalman’nın kitabıdır. Bunların hiçbiri fizik dünyasında kabul görmedi. Fkat, yeni bir çalışmasında de Souza bu modelin kendi karşıtlık modelinden türetilmiş bir kuantum sayısı sayesinde hadron bozulmalarının da bu modelde açıklandığını göstermiştir. Modelinde leptonlar en temel parçacıklardır ve her bir kuark iki primondan oluşmuştur ve bu seneple bütün kuarklar dört tane primonla tanımlanır. Bu sebepten dolayı Standart Model Higgs bozonuna ihtiyaç yoktu ve her bir kuark kütlesi, üç tane Higgs bozonu benzeri yapı sayesinde, her bir primon çiftinin etkileşimiyle açıklanabiliyordu. 1989 Nobel Ödülü konuşmasında Hans Dehmelt, kozmon adını verdiği en temel parçacıklardan birinin tanımlanabilir özellikleriyle, daha fazla temel parçacıklara doğru artan çemberin sonu olarak anlattı.
Her bir preon modeli, temel parçacıkların nasıl kurallar tarafından yönetildiğiyle beraber, Standart Modele göre çok daha az sayıda setlerdeki temel parçacıkların olduklarını öne sürdü. Bu kurallara dayanarak, preon modelleri Standart Modeli, sayım ve tesellüm farklılıklarını tahmin ederek ve Standart Modele ait olmayan yeni parçacıklar ve kesin fenomenler üreterek açıklamaya çalıştı. Rishon Modeli bu alandaki tipik çabaları göstermektedir.
Preon modellerindn birçoğu, çok sayıda preon seviyesinin antimaddelerle bu kompleks yapıları kapsayarak, evrende görünen madde ve antimadde dengesizliğinin aslında bir illüzyon olduğunu teorize eder.
Birçok preon modeli Higgs bozonuna dayanmaz veya devre dışı bırakır, ve Elektro-zayıf simetrinin Higgs alanı yüzünden değil kompozit preonlardan dolayı bozulduğunu söyler. Örneğin Fredriksson preon teorisi Higgs bozonuna ihtiyaç duymaz ve elektro-zayıf kırılmayı Higgs alanından dolayı olmaktan ziyade preonların tekrar düzenleniyor olmasıyla açıklar. Yine de Fredriksson preon modeli ve de Souza modeli Standart Model Hggis bozonunun var olmadığını ön görür.
“Preon” terimi ortaya çıktığı zaman, spin-1/2 fermiyonlarının iki ailesini açıklamak içindi: leptonlar ve kuarklar. Daha yeni preon modelleri spin-1 bozonlarına karşılık gelir ve hala “peonlar” olarak isimlendirilir.

Rishon Modeli

Rishon modeli (RM) parçacık fiziğinin Standart Modelinde (SM) gözüken fenomeni açıklamak için geliştirilmiş ilk çabadır. İlk olarak Haim Harari ve Michael A. Shupe (birbirlerinden bağımsız olarak) geliştirildi ve daha sonra Harari ve öğrencisi olan Nathan Seiberg tarafından açıklandı.
Model iki temel çeşidi olan rishon parçacıklarını ( Hebrew’de “ilk” anlamına gelir) içerir. Bunlar T(elektrik yükü ⅓ e olduğu için “üçüncü” anlamına gelir veya “Hebrew Oluşumunda “oluşmamış” anlamına gelen Tohu’dur) ve V’dir(yüksüz olduğu için “ortadan kaybolur” anlamına gelir veya Hebrew’de “boşluk” anlamına gelen Vohu’dur). Bütün leptonlar ve her çeşit kuark, üç rishon tarafından düzenlenmiş üçlemelerdir. Bu gruptaki rishonların spinleri spin-½. ‘dir.

Kütle paradoksu

Bir preon modeli 1994’te Fermilab’daki Çarpışma Dedektörü’nde (CDF) bir ilk sayfa olarak başladı. Sayfa,, umulmayan ve muammada olan 200 GeV’den yüksek enerjisi olan fazla sayıdaki jetin 1992-1993 periyodunda bulunmasından sonra yazıldı. Fakat saçılan deneyler kuarkların ve leptonların “parçacık benzeri” ve 10−18 m’den (veya proton yarıçapının 1/1000’i) daha az ölçülerde olduklarını gösterdi. Bir preonun momentum kesinsizliği (herhangi bir kütledeki) 200 GeV/c büyüklüğündeki bir kutuya ve üst-kuarkın dinlenme kütlesinden 50,000 kat daha fazla kütleye bir elektronun sabit kütlesinden 400,000 kat daha büyük olduğunu doğruladı.
Heisenberg’in belirsizlik prensibine göre ΔxΔp ≥ ħ/2’dir ve bu sebeple Δx’ten daha küçük olan ve bir kutu olarak tanımlanan herhangi birşeyin momentum belirsizlik katsayısı daha büyüktür. Bu sebepten dolayı preon modeli parçacıkların momentum belirsizliği olan Δp’nin kendilerinden küçük olması gerektiği için parçacıkların, kendilerini oluşturan parçacıklardan daha küçük olmaları gerektiğini ortaya koydu. Preon modeli bir kütle paradoksunu temsil ettiği için: Kuarklar ve elektronlar nasıl birçok yönlü şartları yüksek miktardaki eylemsizliklerinden kaynaklı daha büyük kütle enerjisine sahip daha küçük parçacıklardan oluşurlar? Bu paradoks preonlar arası büyük bir bağlama enerjisinin birbirinin kütle-enerjilerini iptal etmesiyle çözüldü.

Kısıtlar

Herhangi bir aday preon teorisi parçacık kilaritesine ve t’Hooft Kiral Anomalisi sınırlarına dayanmalı ve Standart Modelin kendisinden daha basit teoriksel bir yapısı olmalıdır.

Gözlemlenen fizikle olan çelişkileri

Preon modelleri, temel parçacıkların gözlemlenen özellikleri yerine ek olarak gözlemlenmemiş ve gözlemlerle çelişebilir nitelikte kuvvetler veya dinamikler önerir.
Örneğin, şu an LHC’de Higgs bozonu gözlemleniğinden, çoğu Higgs bozonunu içermeyen preon modelleri ile çakışmaktadır.
Kuark ve leptonları içeren preon modellerinin sınırlı bir boyutu olmalıdır. Yüksek enerjilere çıkarıldığı zaman Büyük bir Hadron Çarpıştırıcısı bunu gözlemleyebilir.