Preoni

Preoni
Rakenne	Alkeishiukkanen
Status	Hypoteettinen (todistamaton)
Löydetty teoreettisesti	Jogesh C. Pati ja Abdus Salam (1974). Hidezumi Terazawa, Yuichi Chikashige ja Keiichi Akama (1977) Yuval Ne'eman (1979) Haim Harari (1979) Michael A. Shupe (1979) Harald Fritzsch ja Gerd Mandelbaum (1981) Mahiko Suzuki (1988) Jean-Jacques Dugne, Sverker Fredriksson, Johan Hansson ja Enrico Predazzi (1998) Sundance O. Bilson-Thompson (2005) Mário de Souza (2008) Grunde Wesenberg (2014)
Infobox OK

Preonit ovat hypoteettisia alkeishiukkasia, joiden arvellaan olevan nykyisin jakamattomina pidettyjen hiukkasten, kuten kvarkkien, elektronien ja välittäjähiukkasten (esimerkiksi fotonin) sisäisiä rakenneosasia. Sanan keksivät Jogesh C. Pati ja Abdus Salam 1974. Kiinnostus preonimalleihin oli suosionsa huipulla 1980-luvulla, mutta se hiipui, kun hiukkasfysiikan standardimalli kuvasi ilmiöitä enimmäkseen menestyksellisesti, ja suoraa kokeellista todistetta sisäisestä rakenteesta ei löytynyt.

Taustaa

Ennen kuin standardimalli oli kehitetty 1970-luvulla (avain standardimalliin oli 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 (engl. particle zoo).

Standardimalli, joka on nykyisin 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.

Standardimalli. Huomaa vasemmalta oikealle luettaessa kasvava fermionien massa, mikä voi olla vihje sisäisestä hienorakenteesta.

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 antihiukkaset, joilla on vastakkainen sähkövaraus.

Standardimallilla on myös ongelmia, mitä 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 voi muuttua elektronisieppauksen takia neutroniksi ja elektronin neutriinoksi. Mikäli alkeishiukkaset ovat jakamattomia niiden pitäisi koostua jostain perustavanlaatuisemmista osasista. Vaikka massa kaikissa havaituissa hiukkasissa seuraavat tietynlaista säännönmukaisuutta, ennusteet niiden lepomassasta eivät ole täsmällisiä paitsi miltei kaikkien baryonien kohdalla, joita kuvaa de Souzan kehittämä malli. Higginsin bosoni selittää miksi hiukkasilla on liikemassa, mutta se ei selitä lepomassaa.

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 laitettu selittämään kokeellisen ja teoreettisen hiukkasfysiikan ongelmia. Preoniteoriat ovat vetäneet mukaansa suhteellisen vähän tutkijoita tähän mennessä hiukkasfyysikoiden keskuudessa.

Vuorovaikutus	Rakenne
	Yhdistelmä	Yksinkertainen
Sähkömagnetismi	Molekyyli	Atomi
Vahva	Atomiydin	Ydinhiukkanen
Hypervahva	Kvarkki	Preoni
	Elektroni	Preoni

Motivaatiot

• Preonitutkimuksilla on taustalla halu selittää tunnetut faktat uudella tavalla.
• Vähentää hiukkasten suurta määrää, mitkä eroavat ainoastaan sähkövaraukseltaan pienemmäksi joukoksi yhä perustavanlaatuisempia hiukkasia. Esimerkiksi elektroni ja positroni ovat identtisiä paitsi sähkövarauksensa osalta ja preonitutkimus on motivoitunut selittämään, että elektronit ja positronit koostuvat samankaltaisista preoneista, joilla erona on vain erilainen sähkövaraus. Toivona on toistaa (reduktionistinen) strategia, joka on toiminut alkuaineiden jaksollisen järjestelmän kohdalla.
• Selittää kolme eri aineen sukupolvea, jotka esiintyvät fermioneilla.
• Laskea asioita, joita ei standardimallin avulla pysty päättelemään, kuten hiukkasten massa, sähkövaraus, ja värivaraus ja vähentää lukuisia standardimallin vaativia muuttujia.
• Selittää syyt suurille massaeroille, joita havaitaan oletettujen alkeishiukkasten kohdalla elektronin neutriinosta ylös-kvarkkiin.
• Selittää sähköheikko symmetriarikko ilman Higgsin kenttää, mikä vastaavasti mahdollisesti vaatii supersymmetriaa toimiakseen Higgsin kentän kanssa. Supersymmetriassa itsessään on teoreettisia ongelmia.
• Tehdä hyödyllisiä ennusteita. Esimerkiksi olemalla mahdollinen ns. kylmän pimeän aineen kandidaatti.
• Kertoa miksi on olemassa vain havaittu määrä hiukkasia monista muista vaihtoehdoista ja tuottaa vain havaittuja hiukkasia (koska havaitsemattomat hiukkaset ovat suuri teoreettinen ongelma esimerkiksi supersymmetriassa).

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, ja 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 Higgsin bosonia tai hylkäävät sen.

Rishon malli ja Haplon malli

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.

Preoni	Sähkövaraus	Hypervärivaraus	Värivaraus
$T$	$e/3$	$3$	$3$
$V$	$0$	$3$	${\overline {3}}$

Sähkövaraus	Preoni sisältö	Hiukkanen
	Fermionit Rishon mallissa
$+1$	$TTT$	Positroni (antiaine elektroni)
$+2/3$	$TTV$	Ylös-kvarkki
$+1/3$	$TVV$	Antiaine alas-kvarkki
$0$	$VVV$	Elektronin neutriino
$0$	${\overline {VVV}}$	Elektronin antineutriino
$-1/3$	${\overline {TVV}}$	Alas-kvarkki
$-2/3$	${\overline {TTV}}$	Antiaine ylös-kvarkki
$-1$	${\overline {TTT}}$	Elektroni
	Bosonit Rishon mallissa
$+1$	$TTTVVV$	Positiivinen W-bosoni
$-1$	${\overline {TTTVVV}}$	Negatiivinen W-bosoni
$0$	$VVV{\overline {VVV}}$ $TTT{\overline {TTT}}$ $TT{\overline {TT}}V{\overline {V}}$ $T{\overline {T}}V{\overline {V}}V{\overline {V}}$	Z-Bosoni (4 versiota)
$0$	$T{\overline {T}}$	Fotoni

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.

Preoni	Sähkövaraus	Hypervärivaraus SU ($N$)	Värivaraus
$\alpha$	$e/2$	$N$	$1$ tai ${\overline {3}}$
$\beta$	$-e/2$	$N$	$1$ tai ${\overline {3}}$
$x$	$e/6$	${\overline {N}}$	$3$ tai ${\overline {3}}$
$y$	$-e/2$	${\overline {N}}$	$1$ tai $3$

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 malleissa 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 ja ne jakatuvat esimerkiksi Rishon mallissa seuraavasti:

	Preoni	Hyperväri	Väri	Sähkövaraus
Hiukkaset	$T$	Hyperpunainen Hyperkeltainen Hypersininen	Punainen Keltainen Sininen	$+1/3$
	$V$	Hyperpunainen Hyperkeltainen Hypersininen	Antipunainen Antikeltainen Antisininen	$0$
Antihiukkaset	${\overline {V}}$	Antihyperpunainen Antihyperkeltainen Antihypersininen	Punainen Keltainen Sininen	$0$
	${\overline {T}}$	Antihyperpunainen Antihyperkeltainen Antihypersininen	Antipunainen Antikeltainen Antisininen	$-1/3$

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 $\approx 5\cdot 10^{-19}\ m$.

Muita mainittavia malleja ovat muun muassa:

• Pati-Salam malli
• Fritzch – Mandelbaum mallit (Haplon-mallit)
• Harari – Seiberg – Shupe mallit (Rishon.mallit)
• Terazawa WCH mallit
• Abbot– Farahi mallit
• Greenberg-Mohapatra-Yasuè -malli
• Matsushima-malli
• Yasuè Malli
• Geng ja Marshak -malli
• The preon trinity -malli
• Primon malli
• Heloni-malli
• Viiden preonin malli

Kritiikki

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.

Kolme aineen luokkaa.

Fysiikassa esiintyy tämän kaltaisia tilanteita, joissa hiukkanen on vähemmän kuin summiensa osa. Esimerkiksi yhdistelmäbosoneissa pioneilla, jotka koostuvat 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, 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 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.

Katso myös

• Preonitähti

Lähteet

• Ball, Philip: Splitting the quark Nature. 30.11.2007. doi:10.1038/news.2007.292 Viitattu 22.12.2014. (englanniksi)
• D'Souza, Ian A. & Kalman, Calvin S.: Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects. Singapore: World Scientific, 1992. doi:10.1142/1700 ISBN 978-981-4505-41-3 (englanniksi)
• Harari, Haim: A Schematic Model of Quarks and Leptons. Physics Letters B, 10.9.1979, 86. vsk, nro 1, s. 83–86. (englanniksi)

Harari, Haim: The Structure of Quarks and Leptons. Teoksessa Bekenstein, Jacob D. & Mechoulam, Raphael: Albert Einstein Memorial Lectures, s. 47–79. Singapore: World Scientific, 2012. ISBN 978-981-4329-42-2 (englanniksi)

• Hiukkasseikkailu Itä-Suomen yliopisto. Viitattu 22.12.2014.
• Lehto ym.: Fysiikka 5. Moderni fysiikka, s. 59. Helsinki: Tammi, 1996. ISBN 951-26-4101-1
• Lehto, Heikki & Viljanmaa, Lauri & Nikkola, Jorma & Luoma, Tapani: Fysiikka 5: moderni fysiikka, s. 79. (5.-6. painos) Tammi, 2001. ISBN 951-26-4516-5 (suomeksi)
• Lincoln, Don: The Quantum Frontier. The Large Hadron Collider, s. 51–52. Baltimore: Johns Hopkins University Press, 2009. ISBN 978-0801891441 (englanniksi)
• Lincoln, Don: Inner life Of Quarks. Scientific American, marraskuu 2012, nro 22. Artikkelin verkkoversio. (englanniksi)
• Marshak, Robert Eugene: ”9 Fermion generation problem and Preon model”, Conceptual Foundations of Modern Particle Physics. Singapore: World Scientific, 1993. ISBN 978-981-02-1098-4 (englanniksi)
• Shupe, Michael A.: A Composite Model of Leptons and Quarks. Physics Letters B, 10.9.1979, 86. vsk, nro 1, s. 87–92. (englanniksi)
• Wesenberg, Grunde Haraldsson: Preon Models in Particle Physics. Norjan teknis-luonnontieteellinen yliopisto – fysiikan laitos / Norwegian University of Science and Technology – Department of Physics, kesäkuu 2014. Maisteritutkielman verkkoversio. (PDF) (englanniksi)

Viitteet

Hiukkaset fysiikassa