Préon - Preon

En physique des particules, les préons sont des particules ponctuelles , conçues comme des sous-composants des quarks et des leptons . Le mot a été inventé par Jogesh Pati et Abdus Salam , en 1974. L'intérêt pour les modèles de préons a culminé dans les années 1980 mais a ralenti, car le modèle standard de la physique des particules continue de décrire la physique, la plupart avec succès, et aucune preuve expérimentale directe pour le lepton et la composition des quarks a été trouvée. Les préons sont disponibles en quatre variétés, plus, anti-plus, zéro et anti-zéro. Les bosons W ont 6 préons et les quarks n'en ont que 3.

Dans le secteur hadronique , certains effets sont considérés comme des anomalies dans le modèle standard . Par exemple, le puzzle du spin du proton , l' effet EMC , les distributions de charges électriques à l'intérieur des nucléons , telles que découvertes par Hofstadter en 1956, et les éléments matriciels ad hoc CKM .

Lorsque le terme « préon » a été inventé, c'était principalement pour expliquer les deux familles de fermions de spin-½ : les quarks et les leptons. Des modèles de préons plus récents tiennent également compte des bosons de spin-1 et sont toujours appelés « préons ». Chacun des modèles préon postule un ensemble de particules fondamentales moins nombreuses que celles du modèle standard, ainsi que les règles régissant la façon dont ces particules fondamentales se combinent et interagissent. Sur la base de ces règles, les modèles préon tentent d'expliquer le modèle standard , prédisant souvent de petits écarts avec ce modèle et générant de nouvelles particules et certains phénomènes, qui n'appartiennent pas au modèle standard.

Objectifs des modèles preon

La recherche Preon est motivée par le désir de :

• Réduisez le grand nombre de particules, dont beaucoup ne diffèrent que par leur charge, à un plus petit nombre de particules plus fondamentales. Par exemple, l' électron et le positron sont identiques à l'exception de la charge, et la recherche sur les préons est motivée en expliquant que les électrons et les positons sont composés de préons similaires avec la différence pertinente représentant la charge. L'espoir est de reproduire la stratégie réductionniste qui a fonctionné pour le tableau périodique des éléments .
• Expliquez les trois générations de fermions .
• Calculez les paramètres actuellement inexpliqués par le modèle standard, tels que les masses de particules , les charges électriques et les charges de couleur , et réduisez le nombre de paramètres d'entrée expérimentaux requis par le modèle standard.
• Expliquez les très grandes différences d'énergie-masse observées dans les particules supposées fondamentales, du neutrino électronique au quark top .
• Fournir des explications alternatives pour la brisure de symétrie électro-faible sans invoquer un champ de Higgs , qui à son tour a éventuellement besoin d'une supersymétrie pour corriger les problèmes théoriques impliqués avec le champ de Higgs. La supersymétrie elle-même pose des problèmes théoriques.
• Tenir compte de l'oscillation et de la masse des neutrinos .
• Faites de nouvelles prédictions non triviales, telles que les candidats à la matière noire froide .
• Expliquez pourquoi il n'existe que la variété observée d'espèces de particules et donnez un modèle avec des raisons de ne produire que ces particules observées (puisque la prédiction des particules non observées est un problème avec de nombreux modèles actuels, tels que la supersymétrie ).

Fond

Avant que le modèle standard ne soit développé dans les années 1970 (les éléments clés du modèle standard connus sous le nom de quarks ont été proposés par Murray Gell-Mann et George Zweig en 1964), les physiciens ont observé des centaines de types différents de particules dans les accélérateurs de particules . Ceux-ci étaient organisés en relations sur leurs propriétés physiques dans un système de hiérarchies largement ad hoc, un peu comme la taxonomie regroupait les animaux en fonction de leurs caractéristiques physiques. Sans surprise, le grand nombre de particules a été appelé le « zoo de particules ».

Le modèle standard, qui est maintenant le modèle dominant de la physique des particules, a considérablement simplifié cette image en montrant que la plupart des particules observées étaient des mésons , qui sont des combinaisons de deux quarks , ou des baryons qui sont des combinaisons de trois quarks, plus une poignée d'autres particules. Selon la théorie, les particules observées dans les accélérateurs de plus en plus puissants n'étaient généralement rien de plus que des combinaisons de ces quarks.

Comparaisons de quarks, de leptons et de bosons

Dans le modèle standard, il existe plusieurs classes de particules . L'un d'eux, les quarks , a six types, dont il existe trois variétés dans chacun (appelés « couleurs », rouge, vert et bleu, donnant naissance à la chromodynamique quantique ).

De plus, il existe six types différents de ce que l'on appelle les leptons . De ces six leptons, il y a trois particules chargées : l' électron , le muon et le tau . Les neutrinos comprennent les trois autres leptons, et pour chaque neutrino il y a un membre correspondant de l'autre ensemble de trois leptons.

Dans le modèle standard, il existe également des bosons , dont les photons ; les bosons W ⁺ , W ⁻ et Z ; les gluons et le boson de Higgs ; et un espace libre laissé pour le graviton . Presque toutes ces particules existent en versions « gaucher » et « droitier » (voir chiralité ). Les quarks, les leptons et le boson W ont tous des antiparticules de charge électrique opposée.

Problèmes non résolus avec le modèle standard

Le modèle standard présente également un certain nombre de problèmes qui n'ont pas été entièrement résolus. En particulier, aucune théorie réussie de la gravitation basée sur une théorie des particules n'a encore été proposée. Bien que le modèle suppose l'existence d'un graviton, toutes les tentatives pour produire une théorie cohérente basée sur eux ont échoué.

Kalman affirme que, selon le concept d'atomisme, les éléments constitutifs fondamentaux de la nature sont des morceaux de matière indivisibles, non générés et indestructibles. Les quarks ne sont pas vraiment indestructibles, car certains peuvent se désintégrer en d'autres quarks. Ainsi, sur des bases fondamentales, les quarks ne sont pas eux-mêmes des éléments constitutifs fondamentaux mais doivent être composés d'autres quantités fondamentales, les préons. Bien que la masse de chaque particule successive suive certains modèles, les prédictions de la masse au repos de la plupart des particules ne peuvent pas être faites avec précision, sauf pour les masses de presque tous les baryons qui ont été récemment très bien décrites par le modèle de de Souza .

Le modèle standard a également des problèmes pour prédire la structure à grande échelle de l'univers. Par exemple, le SM prédit généralement des quantités égales de matière et d' antimatière dans l'univers. Un certain nombre de tentatives ont été faites pour "réparer" cela grâce à une variété de mécanismes, mais à ce jour, aucun n'a remporté un large soutien. De même, des adaptations de base du modèle suggèrent la présence d' une désintégration du proton , qui n'a pas encore été observée.

Motivation pour les modèles preon

Plusieurs modèles ont été proposés pour tenter de fournir une explication plus fondamentale des résultats en physique des particules expérimentale et théorique, en utilisant des noms tels que " parton " ou " preon " pour les constituants hypothétiques de base des particules.

La théorie des préons est motivée par le désir de reproduire en physique des particules les réalisations du tableau périodique en chimie, qui a réduit 94 éléments naturels à des combinaisons de seulement trois éléments constitutifs (proton, neutron, électron). De même, le modèle standard a organisé plus tard le "zoo de particules" de hadrons en réduisant plusieurs dizaines de particules à des combinaisons à un niveau plus fondamental de (au début) seulement trois quarks , réduisant ainsi le nombre énorme de constantes arbitraires dans les particules du milieu du vingtième siècle. physique antérieure au modèle standard et chromodynamique quantique .

Cependant, le modèle de préon particulier discuté ci-dessous a suscité relativement peu d'intérêt parmi la communauté de la physique des particules à ce jour, en partie parce qu'aucune preuve n'a été obtenue jusqu'à présent dans les expériences de collision pour montrer que les fermions du modèle standard sont composites.

Tentatives

Un certain nombre de physiciens ont tenté de développer une théorie des « pré-quarks » (dont dérive le nom de préon ) dans le but de justifier théoriquement les nombreuses parties du modèle standard qui ne sont connues que par des données expérimentales. D'autres noms qui ont été utilisés pour ces particules fondamentales proposées (ou particules intermédiaires entre les particules les plus fondamentales et celles observées dans le modèle standard) comprennent les préquarks , les sous- quarks , les maons , les alphons , les quinks , les rishons , les tweedles , les helons , les haplons , les particules Y , et les primons . Preon est le nom leader dans la communauté de la physique.

Les efforts pour développer une sous-structure remontent au moins à 1974 avec un article de Pati et Salam dans Physical Review . D'autres tentatives incluent un article de 1977 de Terazawa, Chikashige et Akama, des articles similaires mais indépendants de 1979 de Ne'eman, Harari et Shupe, un article de 1981 de Fritzsch et Mandelbaum et un livre de 1992 de D'Souza et Kalman. Aucun d'entre eux n'a été largement accepté dans le monde de la physique. Cependant, dans un travail récent, de Souza a montré que son modèle décrit bien toutes les désintégrations faibles des hadrons selon des règles de sélection dictées par un nombre quantique dérivé de son modèle de composition. Dans son modèle, les leptons sont des particules élémentaires et chaque quark est composé de deux primons , et ainsi, tous les quarks sont décrits par quatre primons . Par conséquent, le modèle standard du boson de Higgs n'est pas nécessaire et chaque masse de quark est dérivée de l'interaction entre chaque paire de primons au moyen de trois bosons de type Higgs.

Dans sa conférence d'acceptation du prix Nobel de 1989 , Hans Dehmelt a décrit une particule élémentaire la plus fondamentale, avec des propriétés définissables, qu'il a appelée le cosmon , comme le résultat final probable d'une chaîne longue mais finie de particules de plus en plus élémentaires.

Higgs composites

De nombreux modèles de préons ne tiennent pas compte du boson de Higgs ou l'excluent, et proposent que la symétrie électro-faible n'est pas brisée par un champ de Higgs scalaire mais par des préons composites. Par exemple, la théorie des préons de Fredriksson n'a pas besoin du boson de Higgs et explique la rupture électro-faible comme le réarrangement des préons, plutôt que comme un champ médié par le Higgs. En fait, le modèle de préon de Fredriksson et le modèle de de Souza prédisent que le boson de Higgs du modèle standard n'existe pas.

modèle Rishon

Le modèle de rishon (RM) est le premier effort (1979) pour développer un modèle préon pour expliquer le phénomène apparaissant dans le modèle standard (SM) de la physique des particules . Il a d'abord été développé par Haim Harari et Michael A. Shupe (indépendamment l'un de l'autre), puis développé par Harari et son élève de l'époque, Nathan Seiberg .

Le modèle comporte deux sortes de particules fondamentales appelées rishons (qui signifie « primaire » en hébreu ). Ils sont T ("Troisième" car il a une charge électrique de  e , ou Tohu qui signifie "non formé" ) et V ("Disparaît", car il est électriquement neutre, ou Vohu qui signifie "vide"). Tous les leptons et toutes les saveurs de quarks sont des triplets ordonnés en trois rishons. Ces groupes de trois rishons ont un spin-½ .

Le modèle de Rishon illustre certains des efforts typiques sur le terrain. De nombreux modèles préon théorisent que le déséquilibre apparent de la matière et de l'antimatière dans l'univers est en fait illusoire, avec de grandes quantités d'antimatière au niveau préon confiné dans des structures plus complexes.

des reproches

Le paradoxe des masses

Un modèle de préon a commencé comme un article interne au Collider Detector au Fermilab (CDF) vers 1994. L'article a été écrit après qu'un excès inattendu et inexplicable de jets d'énergie supérieure à 200  GeV a été détecté au cours de la période 1992-1993. Cependant, de diffusion des expériences ont montré que les quarks et leptons sont « point comme » vers le bas à des échelles de distance inférieure à 10 ^-18  m (ou 1 / 1 000 de diamètre à protons). L' incertitude de quantité de mouvement d'un préon (de quelque masse que ce soit) confiné dans une boîte de cette taille est d'environ 200 GeV/c, ce qui est 50 000 fois plus grand que la masse au repos (dépendant du modèle) d'un quark up, et 400 000 fois plus grand que le masse au repos d'un électron.

Le principe d' incertitude de Heisenberg stipule que tout ce qui est confiné à une boîte plus petite que celle- ci aurait une incertitude de quantité de mouvement proportionnellement plus grande. Ainsi, le modèle préon proposait des particules plus petites que les particules élémentaires qu'elles constituent, puisque l'incertitude de quantité de mouvement devrait être plus grande que les particules elles-mêmes. ${\displaystyle \operatorname {\Delta } x\cdot \operatorname {\Delta } p\geq {\tfrac {1}{2}}\hbar }$${\displaystyle \operatorname {\Delta } x}$${\displaystyle \operatorname {\Delta } p}$

Ainsi, le modèle préon représente un paradoxe de masse : comment des quarks ou des électrons pourraient-ils être constitués de particules plus petites qui auraient des énergies de masse supérieures de plusieurs ordres de grandeur du fait de leur énorme impulsion ? Une façon de résoudre ce paradoxe est de postuler une grande force de liaison entre les préons qui annule leurs énergies de masse.

Conflits avec la physique observée

Les modèles Preon proposent des forces ou dynamiques non observées supplémentaires pour tenir compte des propriétés observées des particules élémentaires, qui peuvent avoir des implications en conflit avec l'observation. Par exemple, maintenant que l' observation par le LHC d'un boson de Higgs est confirmée, l'observation contredit les prédictions de nombreux modèles de préons qui ne l'incluaient pas.

Les théories des préons exigent que les quarks et les leptons aient une taille finie. Il est possible que le Grand collisionneur de hadrons l'observe après avoir été mis à niveau vers des énergies plus élevées.

Dans la culture populaire

• Dans la réimpression/édition de 1948 de son roman Skylark Three de 1930 , EE Smith a postulé une série de «sous-électrons du premier et du deuxième type», ces derniers étant des particules fondamentales associées à la force de gravitation. Bien que cela puisse ne pas avoir été un élément du roman original (la base scientifique de certains des autres romans de la série a été largement révisée en raison des dix-huit années supplémentaires de développement scientifique), même la publication éditée peut être la première, ou une du premier, mentionne la possibilité que les électrons ne soient pas des particules fondamentales.

• Dans la version romancée du film de 1982 Star Trek II: The Wrath of Khan , écrit par Vonda McIntyre , deux membres de l'équipe du projet Genesis du Dr Carol Marcus, Vance Madison et Delwyn March, ont étudié les particules sous-élémentaires qu'ils ont nommées « boojums » et « snarks », dans un domaine qu'ils appellent en plaisantant « physique de la maternelle » parce qu'il est inférieur au « élémentaire » (analogie avec les niveaux scolaires).

• Le roman de 1982 de James P. Hogan , Voyage from Yesteryear, traitait des préons (appelés tweedles ), dont la physique est devenue le cœur de l'intrigue.

Voir également

• Technicolor (physique)
• Étoile de Préon
• Matière préon-dégénérée
• modèle Rishon

Les références

Lectures complémentaires

• Ball, P. (2007). "Fractionner le quark". Nature . doi : 10.1038/news.2007.292 .
• "Avons-nous atteint le fond ? - un article sur les préons et la minutie" . 2013-01-24.