פראון (חלקיק יסודי)

פְּרֵאוֹנִים (באנגלית: Preons) הם חלקיקי יסוד "נקודתיים", שלפי תאוריות מסוימות בפיזיקת החלקיקים, הם תת-חלקיקים של הקווארקים, הלפטונים והבוזונים. זאת בניגוד למקובל במודל הסטנדרטי, שעל פיו אלו האחרונים הם חלקיקי היסוד הנקודתיים שאינם ניתנים לחלוקה.

הרקע לפיתוח תאוריות הפְּרֵאוֹנִים
על פי המודל הסטנדרטי (התאוריה המקובלת כיום על מבנה החומר) הקווארקים והלפטונים הם חלקיקים נקודתיים שאין להם מבנה פנימי. תאוריות הפְּרֵאוֹנִים השונות, חורגות מהמודל הסטנדרטי, וטוענות שאינם נקודתיים ויש להם מבנה פנימי. טענות אלו נובעות מעובדת ריבוי הסוגים של קווארקים ולפטונים, שיש המכנים אותו "גן החיות של החלקיקים". זאת כאשר רק שלושה מהם מהווים את אבני הבניין של כל החומרים בטבע. חיים הררי במאמרו על הראשונים ניסח זאת כך: "זה פשוט לא סביר שקיימים 20 חלקיקי יסוד שונים", או כאמרתו של חתן פרס נובל לפיזיקה א.א. רבי "מי הזמין את זה?"
כל תאוריות הפְּרֵאוֹנִים הוצעו כמענה לתמיהה על כך שהתגלו בניסויים סוגים שונים רבים כל-כך של קווארקים ולפטונים. מטרת כל התאוריות היא להציג סדר יסודי המאחד את כל החלקיקים, כולל גם הבוזונים, ומסביר את תכונותיהם.

טבלת מנדלייב והפְּרֵאוֹנִים
הדורות, שהם "העתקים" כבדים יותר של הקווארקים והלפטונים, מוצגים במודל הסטנדרטי ב"טבלת החלקיקים היסודיים". טבלה זו מזכירה את טבלת מנדלייב שהייתה אחד הזָרָזים לפיתוח הרעיון שאטומים אינם נקודתיים ו"בלתי ניתנים לחלוקה". כך "טבלת החלקיקים היסודיים" אולי מרמזת שגם הקווארקים והלפטונים אינם נקודתיים ו"בלתי ניתנים לחלוקה". התאוריות של הפראונים נולדו מהשאיפה לחזור להצלחות העבר של הטבלה המחזורית והמודל הסטנדרטי שכל אחד מהם נתן הסבר רדוקציוני ל"גן החיות של החלקיקים" של תקופתו.

המודל
"מודל ראשונים" של הררי ושופ יכול לשמש כדוגמה למודל של פְּרֵאוֹנִים. לפי "מודל ראשונים" קיימים שני פְּרֵאוֹנִים, האחד בעל מטען חשמלי חיובי של שליש , והאחר שאין לו מטען חשמלי. להם מקבילים שני חלקיקי אנטי חומר. חלקיק אנטי חומר שהוא בעל מטען חשמלי שלילי של שליש , וחלקיק אנטי חומר שאין לו מטען חשמלי. הלפטונים והקווארקים בכל הטעמים בנויים מצירוף ייחודי של 3 פְּרֵאוֹנִים. לדוגמה: קווארק למעלה מורכב משני פְּרֵאוֹנִים בעלי מטען חיובי של שליש , ופְּרֵאוֹן בעל מטען אפס. הבוזונים (שהם החלקיקים נושאי הכוחות לפי המודל הסטנדרטי) בנויים מצרופים ייחודיים של שישה פְּרֵאוֹנִים. לדוגמה הבוזון  W+ בנוי משלושה פְּרֵאוֹנִים בעלי מטען חשמלי חיובי של שליש  , ושלושה פְּרֵאוֹנִים חסרי מטען חשמלי.

מקרא:
T - פְּרֵאוֹן בעל מטען חשמלי חיובי של שליש .
V - פְּרֵאוֹן חסר מטען חשמלי.
 - פְּרֵאוֹן אנטי חומר בעל מטען מטען חשמלי שלילי של שליש .
 - פְּרֵאוֹן אנטי חומר חסר מטען חשמלי.

אימות בניסויים
עד היום אין אימות ניסויי לקיום הפְּרֵאוֹנִים. כל הניסויים הראו שקווארקים ולפטונים הם נקודתיים, כלומר חסרי מימד. אם יש להם ממדים הרי שהם קטנים מ-10-18 מטר, שזה גבול רגישות המדידה כיום. כשהמאיץ ב-CERN יחזור לפעולה, בתחילת 2015, הוא יפעל באנרגיה גדולה בהרבה מזו הנוכחית (13-14TeV לעומת 7TeV) ואז אולי תמצא הוכחה שאכן הקווארקים והלפטונים אינם נקודתיים, וזו תהיה נקודת מפנה באימות הקיום של פראונים.

היסטוריה
אנשי הפיזיקה העיונית היו ערים, מאז שנות השבעים של המאה ה-20, לאפשרויות של קיום תת-חלקיקים לפרמיונים. נכתבו מאות מאמרים בהם הוצעו מודלים שונים. המאמר של יוגש פאטי ועבדוס סלאם שהופיע בPhysical Review בשנת 1974 הוא כנראה הראשון שדן באפשרות שהפרמיונים אינם נקודתיים ויש להם מבנה פנימי. ב-1977 התפרסם באותו מקום מאמר של טרזווה, צ'קשיגה ואקמה (Terazawa, Chikashige,Akama). ב-1979 הוצע, באופן בלתי תלוי, על ידי חיים הררי ומיכאל שופ המודל שהררי כינה "מודל ראשונים". ב-1981 פרסמו הררי ונתן זייברג הרחבה של מודל זה. באותה שנה גם התפרסם מאמר של פריטש ומנדלבאום. ב-1989, בנאום קבלת פרס נובל לפיזיקה, הציג הנס דמלט מודל פראונים שהוא כינה "קוסמונים". מודל פראונים נוסף הוצג ב-1997 על ידי דוניה, פרדצי, הנסון ופרדיקסון.

השמות
בעלי המודלים השונים הציעו שמות רבים משלהם: "פרה-קווארקים" "תת-קווארקים" "מָאוֹנִים" (על שם מָאו) "אַלפוֹנים", "קְוִינְקִים", "רִאשוֹנִים". "טְוִידְלִים", "הֶלוֹנִים", "הַפְּלוֹנִים", "חלקיקי-Y", "פְּרִימוֹנִים", "קוֹסְמוֹנִים". השם פְּרֵאוֹן, שנטבע על ידי יוגש פאטי ועבדוס סלאם בשנת 1974, התקבל כמונח הטיפוסי המתאר את כולם.

ראו גם
המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים

לקריאה נוספת
המאמר של שופ מ-1979: Shupe, M. A. (1979). "A Composite Model of Leptons and Quarks". Physics Letters B 86 (1): 87–92.

קישורים חיצוניים
מאמר בעברית על פְּרֵאוֹנים בסיינטיפיק אמריקן ישראל.
מאמר על פְּרֵאוֹנים מהאתר של פרמילב (באנגלית).
מאמר על פראונים ואסטרופיזיקה ב-Nature (באנגלית).
"מודל ראשון" בדף הבית של חיים הררי (באנגלית).
המאמר המקורי של הררי משנת 1979 (באנגלית).
המאמר של הררי וזייברג משנת 1981 (באנגלית).

הערות שוליים

פיזיקת חלקיקים
חלקיקים אלמנטריים