Preoni

Preonit ovat hypoteettisia alkeishiukkasia, joiden arvellaan olevan jakamattomina pidettyjen hiukkasten, kuten kvarkkien, elektronien ja välittäjähiukkasten (esimerkiksi fotonin) sisäisiä rakenneosasia. Sanan keksivät Jogesh C. Pati ja Abdus Salam vuonna 1974. Kiinnostus preonimalleihin oli suosionsa huipulla 1980-luvulla, mutta kiinnostus hiipui, kun hiukkasfysiikan standardimalli kuvasi ilmiöitä pääosin menestyksekkäästi, eikä suoraa kokeellista näyttöä preonien olemassaolosta löytynyt.
Taustaa.
Ennen kuin standardimalli oli kehitetty 1970-luvulla (avain standardimalliin olivat kvarkit, joita ehdottivat Murray Gell-Mann ja George Zweig 1964), fyysikot havaitsivat satoja erilaisia hiukkasia hiukkaskiihdyttimissä. Näiden fysikaaliset ominaisuudet luokiteltiin lähinnä tilapäisesti erilaisiin luokkiin, hieman samaan tapaan kuin taksonomia ryhmittelee eläimiä biologiassa. Suurta määrää hiukkasia kutsuttiin hiukkasfyysikoiden arkikielessä hiukkaseläintarhaksi ().
Standardimalli, joka on vallitseva malli hiukkasfysiikassa, yksinkertaisti tilannetta näyttämällä, että valtaosa havaituista hiukkasista, joita havaittiin yhä suorituskykyisemmissä hiukkaskiihdyttimissä, oli 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. Kvarkkeja yhteen sitovaa voimaa kutsutaan värivoimaksi. Tässä yhteydessä ”värillä” ei ole mitään tekemistä arkielämän värien kanssa vaan se on sovittu nimi, jolla kuvataan kvarkkien toimintaa. Kvarkkeja on kolmella eri värivarauksella: punainen, vihreä ja sininen ja antikvarkit kantavat näiden antivärejä: antipunainen, antivihreä ja antisininen Nämä aiheuttavat kvanttiväridynamiikan (QCD).
Toinen hiukkasten muoto on leptonit ja niitä on kuusi erilaista. Näistä kuudesta leptonista kolme on varautuneita hiukkasia: elektroni, myoni ja tau. Neutriinot ovat kolme jäljelle jäävää leptonia. Standardimallissa on myös mittabosoneita (välittäjähiukkasia), jotka välittävät perusvuorovaikutuksia: fotoni, W+, W-, Z-bosonit, gluoni, Higgsin bosoni ja vielä avoin tila jätetty gravitonille. Miltei kaikilla näillä hiukkasilla on ”vasenkätinen” ja ”oikeakätinen” vaihtoehto (katso Kiraalisuus). Kvarkeilla, leptoneilla ja W- ja Z-bosoneilla on myös antihiukkasia, joilla on vastakkainen sähkövaraus.
Standardimallilla on myös ongelmia, joita 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. Kalman huomauttaa, että atomismin opin mukaan perusluonteisten alkeishiukkasten pitää koostua jakamattomista ja muuttumattomista perusosasista. Kvarkit, elektronit ja välittäjähiukkaset eivät ole tuhoutumattomia, vaan ne muuttavat muotoaan. Esimerkiksi protoni ja elektroni voivat muuttua elektronisieppauksen seurauksena neutroniksi ja elektronin neutriinoksi. Mikäli alkeishiukkaset ovat jakamattomia, niiden pitäisi koostua jostain perustavanlaatuisemmista osasista.
Vaikka massa kaikissa havaituissa hiukkasissa seuraa tietynlaista säännönmukaisuutta, ennusteet niiden lepomassasta eivät ole täsmällisiä paitsi miltei kaikkien baryonien kohdalla, joita kuvaa de Souzan kehittämä malli. Higgsin mekanismi selittää, mistä alkeishiukkaset saavat massansa, mutta se ei selitä niiden lepomassojen arvoja.
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 korjausyrityksiä 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 kehitetty selittämään kokeellisen ja teoreettisen hiukkasfysiikan ongelmia. Preoniteoriat ovat tähän mennessä vetäneet mukaansa suhteellisen vähän tutkijoita hiukkasfyysikoiden keskuudessa.
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.
Vuonna 1989 Hans Dehmelt esitti, että aineen perusrakenne koostuu lopulta Cosmon-nimisistä hiukkasista, joilla on tarkat ominaisuudet. Hänen mukaansa alkeishiukkaset eivät jakaudu loputtomiin, vaan Cosmon olisi pienin mahdollinen rakennusosa.
Pyrkimykset kehittää leptonien ja kvarkkien alirakennetta juontavat juurensa vähintään vuoteen 1974, jolloin Pati ja Salam Physical Review – lehdessä ehdottivat niitä.. Artikkelin korjaus julkaistiin seuraavana vuonna.
Muita preonimalleja ehdottivat Terazawa, Chikashige ja Akama vuonna 1977 julkaistussa artikkelissaan. Vuonna 1979 ilmestyi useita samankaltaisia, mutta toisistaan riippumattomia ehdotuksia Ne'emanilta, Hararilta ja Shupelta. 
Muita merkittäviä kontribuutioita ovat Fritzschin ja Mandelbaumin artikkeli vuodelta 1981 ja Suzukin preonimalli vuodelta 1988, jota analysoi Turun yliopiston tutkimusryhmä vuonna 1989. D'Souzan ja Kalmanin kirja vuodelta 1992 tarjosi oman näkökulmansa aiheeseen. Dugne, Fredriksson, Hansson ja Predazzi julkaisivat oman artikkelinsa vuonna 1998, joka julkaistiin uudelleen vertaisarvioituna "European Physical Journal" -tiedejulkaisussa vuonna 2002. Tässä myöhemmässä versiossa Predazzi ei kuitenkaan ollut enää mukana tekijäluettelossa. Muita ehdotuksia ovat Bilsonin ja Thompsonin artikkeli vuodelta 2005, de Souzan tutkielma vuodelta 2008 ja Wesenbergin tutkielma vuodelta 2014. Yksikään näistä malleista ei ole kuitenkaan saavuttanut yleistä hyväksyntää fyysikoiden keskuudessa.
Jokainen preonimalli olettaa pienemmän määrän alkeishiukkasia kuin standardimallissa on, ja vähemmän ohjaavia sääntöjä, joilla alkeishiukkaset toimivat. Perustuen näihin sääntöihin, preonimallit pyrkivät ennustamaan standardimallissa pieniä poikkeamia ja tuottamaan uusia hiukkasia ja aiheuttamaan ilmiöitä, jotka eivät kuulu standardimalliin. Rishon-mallit selittävät tyypilliset pyrkimykset alalla. Monet preonimallit esittävät, että havaittu epäsuhta aineen ja antiaineen välillä on todellisuudessa harha. Näiden teorioiden mukaan suuria määriä preonitason antiainetta on sitoutuneena osaksi monimutkaisempia rakenteita, minkä vuoksi sitä ei havaita vapaana.
Monet preonimallit eivät ota huomioon Higgsin bosonia tai hylkäävät sen.
Rishon-mallit ja haplon-mallit.
Rishon-malli on yksi aikaisimmista preonimalleista Pati–Salam -mallin jälkeen. Sitä kehittivät Haim Harari ja Michael A. Shupe (toisistaan riippumatta) ja sitä laajensivat Harari ja hänen sen aikainen oppilaansa Nathan Seiberg. Mallissa on kaksi alkeishiukkasta: "T", jonka varaus on 1/3 "e" ja "V", joka on sähköisesti neutraali. Mallissa on vain fermionisia hiukkasia.
Gluonien sisäinen rakenne on monimutkaisempi ja on jätetty tästä luokittelusta pois.
Haplon-mallissa preonit ovat fermioni-bosoni yhdistelmiä ja niitä on neljä. Mallissa on vasen ja oikeakätisiä neutriinoja.
Kaikissa malleissa on myös preonien antihiukkaset, joita ei erikseen mainittu.
Ei ole olemassa vakiintunutta "”standardimallia”" ja yllä olevat mallien kuvaukset ovat yksinkertaistuksia.
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 malleja esimerkiksi Terazawa WCH mallissa preonit kantavat aineen perhelukua, mikä selittäisi aineen eri sukupolvet. Terazawa WCH -mallissa ei täsmennetä, mikä sitoo preonit kiinni toisiinsa.
Hypervärivoimaa kuvaavat teoriat tukeutuvat kvanttiväridynamiikkaan (QCD). Ei tiedetä miten voisi rakentaa toisenlaisen järjestelmän, jossa ei pitäisi tukeutua kvanttiväridynamiikkaan. Tämän takia monet QCD-teorian kaltaiset ominaisuudet tulevat automaattisesti sisällytetyksi preoniteorioihin haluttiin näin tai ei.
Hypervärivoiman välittäjähiukkanen on hypergluoni. Rishon-mallissa preonit jakautuvat hypervärin mukaan seuraavasti:
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.
Jos preoneja on ne ovat kooltansa pienempiä kuin noin formula_1.
Muita mainittavia malleja ovat muun muassa:
Kritiikki.
Todistusaineiston puute.
Minkäänlaista empiiristä todistusaineistoa preonien olemassaolosta ei ole toistaiseksi 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.
Yksi preonimallien suurimmista haasteista on niin sanottu massaparadoksi. Jos kvarkit ja leptonit koostuvat preoneista, näiden preonien yhteenlaskettu massa olisi huomattavasti suurempi kuin muodostuvan hiukkasen havaittu massa. Tämä vaikuttaa paradoksaaliselta, sillä kokonaisuuden massan pitäisi intuitiivisesti olla vähintään osiensa summa. Selitys liittyy sidosenergiaan: jotta preonit pysyisivät tiukasti sitoutuneina toisiinsa kvarkin tai leptonin sisällä, niiden välisen sidosenergian täytyisi olla valtava — ja negatiivinen sidosenergia vähentää järjestelmän kokonaismassaa. Tilanne muistuttaa kvarkkien käyttäytymistä: yksittäisiä kvarkkeja ei ole koskaan havaittu vapaina, eikä preonienkaan oleteta esiintyvän irrallisina, mikäli niitä todella on olemassa.
Fysiikassa esiintyy tämän kaltaisia tilanteita, joissa hiukkanen on vähemmän kuin summiensa osa. Yhdistelmäbosoneilla, kuten kvarkista ja antikvarkista koostuvilla pioneilla, on vastaava ominaisuus, mutta sama periaate ei päde fermioneihin.
Hiukkasfysiikassa esiintyy muutenkin tilanteita, joissa hiukkasten massa on pienempi 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 -periaatteella koottuja palapelejä, koska selkeän preonimallin rakentamisen ongelmat ovat valtavia. Lisäksi kaikilla malleilla on perustavanlaatuisia ongelmia, jotka 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 tyypillisimmistä ongelmista useimmissa malleissa ovat ei-toivotut eksoottiset hiukkaset, joita ei ole löydetty luonnosta. Ei myöskään tiedetä yhtään menetelmää, jota seurattaessa (edes teoriassa) saataisiin rakennettua sisäisesti ristiriidaton malli.
Preonit eivät ole ainoita ehdokkaita kvarkkien ja elektronien sisäiseksi rakenteeksi, 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 puutteen vuoksi.