プレオン

素粒子物理学において、プレオンは仮説上の点粒子であり、クォークとレプトンの構成要素として考えられている。[ 1 ]「プレオン」という言葉は、 1974年にジョゲシュ・パティとアブドゥス・サラムによって造られた。プレオンモデルへの関心は1980年代にピークを迎えたが、素粒子物理学の標準モデルが引き続き物​​理学をほぼ正しく記述し、レプトンとクォークの複合性を直接示す実験的証拠が見つかっていないため、関心は鈍っている。プレオンには、プラス、反プラス、ゼロ、反ゼロの4種類がある。Wボソンには6つのプレオンがあり、クォークとレプトンは3つしかない。

ハドロン分野では、陽子スピンパズル、EMC効果、 1956年にロバート・ホフスタッターが発見した核子内部の電荷分布[ 2 ] [ 3 ]、およびアドホックCKM行列要素など、いくつかの効果が標準モデル内の異常であると考えられています。

「プレオン」という用語が造語された当時は、主にスピン1/2フェルミオンの2つのファミリー、すなわちクォークとレプトンを説明するために使用されていました。より最近のプレオンモデルはスピン1ボソンも考慮しており、現在でも「プレオン」と呼ばれています。それぞれのプレオンモデルは、標準モデルよりも少ない基本粒子群と、それらの基本粒子がどのように結合し相互作用するかを支配する規則を仮定しています。これらの規則に基づいて、プレオンモデルは標準モデルを説明しようと試みますが、しばしば標準モデルとのわずかな矛盾を予測し、標準モデルに属さない新しい粒子や特定の現象を生み出します。

プレオンモデルの目標

プレオン研究の動機は、次のようなものです。

背景

1970年代に標準模型が開発される以前（標準模型の主要要素であるクォークは、1964年にマレー・ゲルマンとジョージ・ツヴァイクによって提唱されました）、物理学者たちは粒子加速器で数百種類の異なる粒子を観測していました。これらの粒子は、物理的特性に基づいて、主に場当たり的な階層構造で分類されていました。これは、動物を身体的特徴に基づいて分類する分類法とよく似ています。当然のことながら、膨大な数の粒子は「粒子動物園」 と呼ばれていました。

現在、素粒子物理学の主流となっている標準模型は、観測される粒子のほとんどが2つのクォークの組み合わせである中間子、または3つのクォークの組み合わせである重粒子と、その他の少数の粒子であると示すことで、この図を劇的に単純化しました。理論によれば、ますます強力になる加速器で観測される粒子は、典型的にはこれらのクォークの組み合わせに過ぎませんでした。

クォーク、レプトン、ボソンの比較

標準モデルには、粒子のいくつかのクラスがあります。そのうちの1つであるクォークには6つの種類があり、それぞれに3つの種類があります（赤、緑、青の「色」と呼ばれ、量子色力学を生み出します）。

さらに、レプトンと呼ばれる6種類の粒子が存在します。これらの6種類のレプトンには、電子、ミューオン、タウの3つの荷電粒子が含まれます。ニュートリノは残りの3つのレプトンを構成し、各ニュートリノは3つの荷電レプトンの1つと対を形成します 。

標準模型には、光子やグルーオンなどのボソン、W +、W −、Zボソン、ヒッグス粒子、そして重力子のための空間も存在します。これらの粒子のほとんどすべてには「左巻き」と「右巻き」のバージョンがあります（カイラリティを参照）。クォーク、レプトン、Wボソンはすべて、反対の電荷を持つ反粒子（ニュートリノの場合は、反対の弱アイソスピン）を持ちます。

標準モデルの未解決問題

標準模型には、完全に解決されていない問題が数多く存在します。特に、粒子理論に基づく重力理論は未だ確立されていません。標準模型は重力子の存在を仮定していますが、それに基づいて一貫した理論を構築しようとする試みはすべて失敗に終わっています。

カルマン[ 4 ]は、原子論の概念によれば、自然界の基本的な構成要素は、生成も破壊もされない、分割不可能な物質の断片であると主張している。レプトンもクォークも真に破壊不可能なわけではない。なぜなら、レプトンは他のレプトンに、クォークは他のクォークに崩壊するからである。したがって、基本的な根拠からすると、クォーク自体は基本的な構成要素ではなく、他の基本的な量、すなわちプレオンから構成されているはずである。各連続粒子の質量は一定のパターンに従うが、ほとんどの粒子の静止質量を正確に予測することはできない。ただし、ほぼすべての重粒子の質量は、デ・ソウザ（2010）によって適切にモデル化されている。[ 5 ]

標準モデルは、宇宙の大規模構造を予測する上でも問題を抱えています。例えば、標準モデルは宇宙における物質と反物質の量は概ね同量であると予測しています。様々なメカニズムを用いてこれを「修正」しようとする試みは数多く行われてきましたが、今のところ広く支持されているものはありません。同様に、標準モデルの基本的な改変は、未だ観測されていない 陽子崩壊の存在を示唆しています。

プレオンモデルの動機

実験的および理論的な素粒子物理学の結果をもっと根本的に説明しようと、仮想的な基本粒子構成要素に「パートン」や「プレオン」などの名前を使用して、いくつかのモデルが提案されている。

プレオン理論は、化学における周期表の成果を素粒子物理学においても再現したいという願望から生まれた。周期表は、94種類の天然元素をわずか3つの構成要素（陽子、中性子、電子）の組み合わせに還元した。同様に、標準模型は後に、数十個の粒子をより基本的なレベル、つまり（当初は）わずか3つのクォークの組み合わせに還元することで、ハドロンの「粒子動物園」を体系化した。その結果、標準模型と量子色力学以前の20世紀半ばの素粒子物理学における膨大な数の任意定数が削減された。

しかし、以下で説明する特定のプレオンモデルは、標準モデルのフェルミオンが複合であることを示す証拠が衝突型加速器実験でこれまで得られていないこともあり、これまで素粒子物理学界では比較的関心を集めていません。

試み

多くの物理学者が、実験データによってのみ知られている標準モデルの多くの部分を理論的に正当化するために、 「プレクォーク」（プレオンの名称の由来）の理論構築を試みてきた。これらの提案された基本粒子（または最も基本的な粒子と標準モデルで観測される粒子の中間に位置する粒子）には、プレクォーク、サブクォーク、マオン[ 6 ] 、アルフォン、クインク、リション、ツイードル、ヘロン、ハプロン、 Y粒子[ 7 ]、プリモン[ 8 ]などの名称が用いられてきた。プレオンは物理学界で広く知られている名称である。

サブ構造を開発する取り組みは、少なくとも1974年にPatiとSalamがPhysical Reviewに発表した論文まで遡ります。[ 9 ] 他の試みとしては、1977年のTerazawa、Chikashige、Akamaによる論文[ 10 ] 、 1979年の類似しているが独立したNe'eman、[ 11 ] Harari、[ 12 ] Shupeによる論文[ 13 ] 、 1981年のFritzschとMandelbaumによる論文[ 14 ] 、 そして1992年のD'SouzaとKalmanによる著書[ 1 ]などがあります。これらのいずれも物理学の世界で広く受け入れられてはいません。しかし、最近の研究[ 15 ]で de Souzaは、彼のモデルが、彼の複合性モデルから導かれる量子数によって決まる選択規則に従って、ハドロンのすべての弱い崩壊をうまく記述することを示しました。彼のモデルでは、レプトンは素粒子であり、各クォークは2つのプリモンから構成されており、したがってすべてのクォークは4つのプリモンで記述されます。したがって、標準モデルのヒッグス粒子は必要なく、各クォークの質量は、3つのヒッグス粒子のような粒子を介して各プリモンペア間の相互作用から導き出されます。

1989年のノーベル賞受賞講演で、ハンス・デーメルトは、定義可能な特性を持つ最も基本的な素粒子であるコスモンについて説明しました。これは、より素粒子が徐々に増えていく長い有限の連鎖の結果として生じたものであると考えられます。[ 16 ]

複合ヒッグス

多くのプレオンモデルはヒッグス粒子を考慮しないか、あるいは排除し、電弱対称性の破れはスカラーヒッグス場ではなく複合プレオンによって起こると提唱している。[ 17 ] 例えば、フレドリクソン・プレオン理論はヒッグス粒子を必要とせず、電弱対称性の破れをヒッグス媒介場ではなくプレオンの再配置として説明する。実際、フレドリクソン・プレオンモデル[ 17 ]とデ・ソウザモデル[ 1 ]は標準モデルのヒッグス粒子は存在しないと予測している。しかし、これはヒッグス粒子の発見[ 18 ]と直接矛盾しており、理論に問題があることを示唆している。

リションモデル

リション模型は、素粒子物理学の標準模型に現れる現象を説明するプレオン模型を開発しようとした最も初期の試み（1979年）である。この模型は、ハイム・ハラリとマイケル・A・シュープによって（それぞれ独立に）最初に開発され、後にハラリと当時彼の学生であったネイサン・ザイバーグによって拡張された。[ 19 ]

このモデルには、リション（ヘブライ語：ראשונים、ローマ字：  rishonim 、「最初の」）と呼ばれる2種類の基本粒子があります。これらはT（電荷を持つため、「3番目」）です。1/3⁠  e、または tohu ( תוהו、「カオス」、つまり光が創造される前の宇宙の状態) とV (電気的に中性であるため「消滅」、またはבוהו、vohu、「空虚」)。すべてのレプトンとすべてのフレーバーのクォークは、3つのリションで順序付けられた三重項です。これらの3つのリションのグループはスピン1/2を持ちます。

リションモデルは、この分野における典型的な取り組みのいくつかを示しています。多くのプレオンモデルは、宇宙における物質と反物質の見かけ上の不均衡は実際には幻想であり、プレオンレベルの反物質が大量に、より複雑な構造の中に閉じ込められていると理論づけています。

批判

質量パラドックス

プレオンモデルの一つは、1994年頃、フェルミ国立加速器研究所（CDF）の衝突型検出器の内部論文として始まった。[ 20 ]この論文は、1992年から1993年にかけて、200GeVを超えるエネルギーを持つジェットの予期せぬ、説明のつかない過剰が 検出された後に執筆された。しかし、散乱実験により、クォークとレプトンは10GeV未満の距離スケールまで「点状」であることが示された。10 −18  m (または⁠1/1000⁠陽子の直径）。[ 21 ]この大きさの箱に閉じ込められたプレオン（質量に関係なく）の運動量 の不確定性は約200 GeV/ cであり、これはアップクォークの（モデル依存の）静止質量の50000倍であり、電子の静止質量の 40万倍。

ハイゼンベルクの不確定性原理は、（つまり、粒子の位置と運動量の不確定性の内積は、換算プランク定数の半分未満にはならない）と述べており、したがって、それよりも小さい箱に閉じ込められたものは、それに比例して運動量の不確定性も大きくなります。クォークやレプトンに閉じ込められたプレオン（Δ x ≈Δ⁡×⋅Δ⁡p≥12ℏ{\displaystyle \operatorname {\Delta } x\cdot \operatorname {\Delta } p\geq {\tfrac {1}{2}}\hbar }Δ⁡×{\displaystyle \operatorname {\Delta } x}10 −18  m）、これは約200 GeVの運動エネルギーを意味し、観測されているクォークとレプトンの質量をはるかに超えています。 [ 20 ]

したがって、プレオンモデルは質量パラドックスを呈している。クォークや電子が、その巨大な運動量から生じる桁違いに大きい質量エネルギーを持つ、より小さな粒子で構成されているとは、どういうことだろうか？このパラドックスを解決する一つの方法は、プレオン間の大きな結合力を仮定し、それによってプレオンの質量エネルギーを打ち消すことである。例えば、いくつかのモデルでは、プレオンの運動エネルギーへの寄与を打ち消すために、核の強い力の約10万倍の強さを持つ「超強力」な相互作用を提案している。[ 22 ]

観測された物理学との矛盾

プレオンモデルは、観測された素粒子の特性を説明するために、観測されていない追加の力やダイナミクスを提案するが、それらは観測結果と矛盾する示唆を与える可能性がある。例えば、LHCによるヒッグス粒子の観測が確認された現在、この観測結果は、ヒッグス粒子を除外していた多くのプレオンモデルの予測と矛盾している。[ 12 ] [ 23 ]

プレオン理論では、クォークとレプトンは有限の大きさを持つことが求められます。大型ハドロン衝突型加速器（LHC）がより高いエネルギーにアップグレードされれば、この現象が観測される可能性があります。[ 24 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b c D'Souza, IA; Kalman, CS (1992). Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects . World Scientific . ISBN 978-981-02-1019-9。
  2. ^ホフスタッター, ロバート (1956年7月1日). 「電子散乱と原子核構造」.現代物理学レビュー. 28 (3): 214– 254. Bibcode : 1956RvMP...28..214H . doi : 10.1103/RevModPhys.28.214 .
  3. ^ Hofstadter, R.; Bumiller, F.; Yearian, MR (1958年4月1日). 「陽子と中性子の電磁構造」(PDF) . Reviews of Modern Physics . 30 (2): 482– 497. Bibcode : 1958RvMP...30..482H . doi : 10.1103/RevModPhys.30.482 . 2018年2月23日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) .
  4. ^ Kalman, CS (2005). 「なぜクォークは基本粒子ではないのか」. Nuclear Physics B: Proceedings Supplements . 142 : 235– 237. arXiv : hep-ph/0411313 . Bibcode : 2005NuPhS.142..235K . doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2005.01.042 . S2CID 119394495 . 
  5. ^ de Souza, Mario Everaldo (2010). 「重粒子のほぼすべてのエネルギー準位の計算」 . Papers in Physics . 3 : 030003–1 . doi : 10.4279/PIP.030003 .
  6. ^ Overbye, D. (2006年12月5日). 「中国、素粒子物理学における主要な役割を追求」 .ニューヨーク・タイムズ. 2011年9月12日閲覧。
  7. ^ Yershov, VN (2005). 「三極電荷の平衡配置」.少数体系. 37 ( 1–2 ): 79– 106. arXiv : physics/0609185 . Bibcode : 2005FBS....37...79Y . doi : 10.1007/s00601-004-0070-2 . S2CID 119474883 . 
  8. ^ de Souza, ME (2005). 「物質の究極的な分割」Scientia Plena . 1 (4): 83.
  9. ^ Pati, JC; Salam, A. (1974). 「第4の「色」としてのレプトン数」（PDF） . Physical Review D. 10 ( 1): 275– 289. Bibcode : 1974PhRvD..10..275P . doi : 10.1103/PhysRevD.10.275 . S2CID  17349483. 2019年2月20日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。訂正： パティ、JC; サラム、A. (1975). 「訂正：レプトン数は第4の「色」である」" .フィジカルレビューD. 11 ( 3): 703.書誌コード: 1975PhRvD..11..703P . doi : 10.1103/PhysRevD.11.703.2 .
  10. ^寺澤 秀雄; 近重 雄一; 赤間 健一 (1977). 「全素粒子に対する南部-ジョナ-ラシニオ型統一模型」. Physical Review D. 15 ( 2): 480– 487. Bibcode : 1977PhRvD..15..480T . doi : 10.1103/PhysRevD.15.480 .
  11. ^ Ne'eman, Y. (1979). 「統合Weinberg-Salam模型の既約ゲージ理論」 . Physics Letters B. 81 ( 2): 190– 194. Bibcode : 1979PhLB...81..190N . doi : 10.1016/0370-2693(79)90521-5 . OSTI 6534180 . 
  12. ^ a b Harari, H. (1979). 「クォークとレプトンの模型」(PDF) . Physics Letters B. 86 ( 1): 83– 86. Bibcode : 1979PhLB...86...83H . doi : 10.1016/0370-2693(79)90626-9 . OSTI 1447265 . 
  13. ^ Shupe, MA (1979). 「レプトンとクォークの複合モデル」. Physics Letters B. 86 ( 1): 87– 92. Bibcode : 1979PhLB...86...87S . doi : 10.1016/0370-2693(79)90627-0 .
  14. ^ Fritzsch, H.; Mandelbaum, G. (1981). 「レプトンとクォークのサブストラクチャーの現れとしての弱い相互作用」. Physics Letters B. 102 ( 5): 319. Bibcode : 1981PhLB..102..319F . doi : 10.1016/0370-2693(81)90626-2 .
  15. ^ de Souza, ME (2008). 「ハドロンの弱崩壊はクォークの複合性を明らかにする」Scientia Plena . 4 (6): 064801–1 .
  16. ^デメルト, HG (1989). 「静止した孤立した亜原子粒子を用いた実験」ノーベル賞講演.ノーベル財団.そこに記載されている参考文献も参照してください。
  17. ^ a b Dugne、J.-J.;フレドリクソン、S.ハンソン、J. Predazzi、E. (1997)。 「ヒッグス痛？ プレオンを飲みましょう！」。arXiv : hep-ph/9709227。
  18. ^ Cho, Adrian (2012-07-13). 「数十年にわたる探索の末、ヒッグス粒子が初めて発見される」 . Science . 337 (6091): 141– 143. doi : 10.1126/science.337.6091.141 . PMID 22798574 . 
  19. ^ Harari, Haim; Seiberg, Nathan (1982). 「Rishon模型」(PDF) . Nuclear Physics B. 204 ( 1). North-Holland Publishing: 141– 167. Bibcode : 1982NuPhB.204..141H . doi : 10.1016/0550-3213(82)90426-6 . 2012年10月7日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2018年6月2日閲覧。
  20. ^ a b Cramer, John G. (1980年8月). 「別の視点：素粒子物理学への異なるアプローチ」 .ワシントン大学原子物理学研究所. 2024年7月1日閲覧。
  21. ^リオーダン、マイケル (1992). 「クォークの複合性の探求」. Annual Review of Nuclear and Particle Science . 42 : 1– 32. doi : 10.1146/annurev.ns.42.120192.000245 .
  22. ^ Harari, Haim (1979). 「クォークとレプトンの構造」. Physics Letters B. 86 ( 1): 83– 86. Bibcode : 1979PhLB...86...83H . doi : 10.1016/0370-2693(79)90626-9 . OSTI 1447265 . 
  23. ^ Fritzsch, H.; Mandelbaum, G. (1981). 「レプトンとクォークのサブストラクチャーの現れとしての弱い相互作用」. Physics Letters B. 102 ( 5): 319– 322. Bibcode : 1981PhLB..102..319F . doi : 10.1016/0370-2693(81)90626-2 .
  24. ^ Eichten, E; Lane, K; Peskin, ME (1983). 「クォークとレプトンの部分構造に関する新たな検証」. Physical Review Letters . 50 (11): 811– 814. Bibcode : 1983PhRvL..50..811E . doi : 10.1103/PhysRevLett.50.811 . OSTI 1446807 . 

さらに読む

「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=プレオン&oldid= 1331743249」より取得