Прео́ны — гипотетические элементарные частицы, из которых могут состоять кварки и лептоны. Несмотря на то, что на сегодняшний момент нет пока никаких экспериментальных указаний на неточечность кварков и лептонов, ряд соображений (наличие трёх поколений фермионов, наличие трёх цветов кварков, симметрия между кварками и лептонами) указывает на то, что они могут быть составными частицами.
Название «преон» было впервые использовано и Абдусом Саламом () в 1974 году. Пик интереса к преонным моделям приходился на 80-е годы XX века, после чего этот интерес заметно спал, так как многие из этих моделей противоречили экспериментальным данным, полученным на ускорителях. Кроме того, после первой суперструнной революции многие физики-теоретики склонялись к тому, что теория струн является более логичной и многообещающей. Соответственно, основные их усилия сосредоточились в этом направлении. В последние годы оптимизм в отношении теории струн начал несколько иссякать, что и возродило интерес к преонным моделям, хотя разработки преонных моделей пока в основном ограничиваются феноменологическими построениями без рассмотрения динамики преонов.В качестве типичного примера можно привести преонную модель, описанную в статье В некоторых работах исследуются также возможные наблюдаемые последствия существования преонного уровня строения материи.Например, в работе изучается возможность существования преонных звёзд.
Стандартная модель: необходимость упрощения К моменту появления (в 1970-х годах) стандартной модели элементарных частиц, ключевые элементы которой были заложены Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом ещё в 1964 году, экспериментально были обнаружены сотни различных по своим свойствам частиц. Классификация этих частиц была основана на довольно громоздкой и искусственной иерархической схеме, весьма напоминающей разветвлённую биологическую классификацию различных групп животных. Неудивительно, что многочисленное семейство элементарных частиц иногда называлось «зоопарком частиц».
Общепринятая в физике элементарных частиц Стандартная модель позволила существенно упростить эту картину за счёт представления адронов в виде композитных систем и разбиения их на два основных класса: мезоны, состоящие из двух кварков, и барионы, представляющие собой различные комбинации трёх кварков. Согласно этой модели, подавляющее большинство обнаруживаемых на ускорителях частиц являются не более чем различными комбинациями кварков.
В Стандартной модели постулируются несколько типов простейших частиц. Например, имеется шесть типов (ароматов) кварков, каждый из которых может иметь одно из трёх значений особого рода заряда, обозначаемых «цветами» (обычно красным, зелёным и синим). Введение цветовых зарядов положило начало такому разделу Стандартной модели как квантовая хромодинамика (КХД). Кроме того, в Стандартной модели существуют шесть фундаментальных частиц другого типа, называемых лептонами. Три из них (электрон, мюон и тау-частица) являются носителями единичного электрического заряда, другие три (электронное, мюонное и тау-нейтрино) — электрически нейтральны. В Стандартной модели имеются также фотоны, бозоны слабого взаимодействия (W+, W−, Z) и глюоны, а также бозон Хиггса и пока не обнаруженный гравитон. Почти все эти частицы могут находиться в право- или левополяризованном состоянии.
Стандартная модель пока оставляет нерешёнными несколько проблем. В частности, так и не удалось построить удовлетворительной квантовой модели гравитации, хотя в принципе Стандартная модель предполагает наличие гравитона как носителя гравитационного взаимодействия. Кроме того, остаётся неясным происхождение наблюдаемого спектра масс частиц: хотя сам факт происхождения масс удовлетворительно объясняется механизмом Хиггса, однако значения масс из него не выводятся, замечены лишь некоторые экспериментальные закономерности в распределении этих масс.
Существуют также проблемы с объяснением структуры Вселенной в глобальном масштабе. В частности, при симметричных начальных условиях Стандартная модель предсказывает наличие как обычной, так и антиматерии в почти равной пропорции, что находится в явном противоречии с наблюдениями. Предлагалось несколько механизмов для решения проблемы, но на сегодняшний день ни одно из этих предложений популярностью не пользуется.
Теоретические предпосылки для разработки преонных моделей Работы по преонным и другим моделям, выходящим за рамки стандартной модели, мотивировались желанием уменьшить число свободных параметров стандартной модели за счёт перехода на более глубокий структурный уровень, то есть за счёт реализации примерно той же схемы, что была использована в самой стандартной модели для классификации «зоопарка» частиц и уменьшения числа основных частиц. Можно выделить следующие проблемы, которые было необходимо решить:
Требовалось уменьшить число фундаментальных частиц, многие из которых в стандартной модели отличаются лишь зарядом, как, например, электрон и позитрон. В рамках преонной модели можно, например, предположить, что данные почти одинаковые частицы могут быть скомпонованы из одних и тех же преонов, а разница в знаках заряда могла бы объясняться за счёт соответствующих структурных различий. Частицы, входящие во второе и третье семейства фундаментальных фермионов, считаются такими же фундаментальными, как и частицы первого семейства. Тем не менее первые обладают бо́льшими массами по сравнению со вторыми и являются нестабильными, распадаясь на частицы из первого семейства. Исторический опыт подсказывает, что, например, в ядерной физике нестабильность ядер некоторых химических элементов обусловлена их структурными отличиями от более стабильных изотопов. Проводя аналогию с изотопами, можно предположить, что по крайней мере нестабильные фундаментальные фермионы обладают внутренней структурой, отличающей их от стабильных фермионов. Существуют непреодолимые различия между теорией элементарных частиц и теорией тяготения. Преонные модели могли бы служить переходным элементом между этими двумя теориями. В качестве одного из примеров можно привести попытку унификации преонной модели с теорией петлевой квантовой гравитации. Будущая теория фундаментальных частиц должна иметь меньшее, чем стандартная модель, число экспериментальных входных параметров и должна объяснить происхождение большинства из входных параметров стандартной модели (например, масс, электрических и цветовых зарядов частиц). Диапазон масс фундаментальных частиц, входящих в стандартную модель, необъяснимо широк. Например, электронное нейтрино имеет практически нулевую массу, а масса t-кварка составляет около 190 масс протона, что сопоставимо с массой ядра золота, состоящего из 79 протонов и 118 нейтронов. Стандартная модель представляет t-кварк в виде некоего сгустка массы, не имеющего внутренней структуры, причем количественно эта масса не объясняется. В преонных же моделях численное значение массы t-кварка можно объяснить по аналогии с массой ядра золота. До сих пор не существует теоретической базы для расчёта периодов полураспада нестабильных фундаментальных частиц. Необходимо объяснить наблюдаемое число семейств фундаментальных фермионов. Желательно иметь альтернативное объяснение процессу нарушения симметрии электрослабого взаимодействия без привлечения механизма Хиггса, который, в свою очередь, нуждается в существовании суперсимметрии для разрешения некоторых теоретических трудностей, связанных с полем Хиггса. Желательно иметь модель, объясняющую всю феноменологию фундаментальных частиц не выходя за пределы трёх пространственных измерений и не используя новых гипотетических объектов, существование которых экспериментально не подтверждается, — таких, как поля Хиггса, струны или суперсимметричные партнёры фундаментальных частиц. Новая теория должна естественным образом включать в себя осцилляции нейтрино и их ненулевые массы. Ожидается, что предсказания новой теории смогут помочь в поисках частиц — кандидатов на роль скрытой массы. Эти предсказания также могут оказаться востребованными в том случае, если эксперименты на LHC и других ускорителях не приведут к обнаружению бозона Хиггса (открыт в 2012 году) и суперпартнеров фундаментальных частиц. При этом предполагается, что новая теория должна воспроизвести только наблюдаемый спектр фундаментальных частиц, не генерируя не наблюдаемых в природе частиц (это является проблематичным для моделей, использующих, например, суперсимметрию). Многие предыдущие теории единого фундаментального взаимодействия экспериментально подтвердить не удалось. Так, невозможность экспериментального наблюдения процесса распада протона говорит о том, что, например, теория струн и используемый ею принцип суперсимметрии, скорее всего, ошибочны. Поэтому для дальнейшего прогресса теории элементарных частиц необходимы альтернативные идеи, одной из которых может быть идея композитности фундаментальных частиц.
Если бы теория струн успешно разрешила вышеперечисленные проблемы, то разработка преонных моделей была бы излишней. В этом случае различные фундаментальные частицы стандартной модели могли бы быть представлены в виде осциллирующих струн с различными частотами и модами. Динамику частиц тогда можно было бы описывать с помощью диаграмм, аналогичных фейнмановским, но использующих двумерные мировые поверхности вместо мировых линий, а три семейства фундаментальных фермионов объяснялись бы за счёт накрытия струнами специфических конфигураций многообразия модулей высших размерностей. Однако, ввиду отсутствия видимого прогресса теории струн, все большее число физиков начинает сомневаться в её плодотворности.Соответствующие критические обзоры включают в себя книги П. Войта, Л. Смолина и Д. Фридана: ; ; ; В результате возрастает актуальность разработки альтернативных теорий, в том числе и композитных моделей, основанных на преонах.
Исторический экскурс: предкварки Название преон происходит от предкварков (pre-quarks) — гипотетических сущностей, относящихся к структурному уровню материи, непосредственно предшествующему кваркам. В качестве альтернативных названий для предполагаемых простейших частиц (или вообще частиц, соответствующих нижележащим по отношению к кваркам структурным уровням), использовались субкварки, маоны, альфоны, кинки, ришоны, твидли, гелоны, гаплоны и Y-частицы. Преон является наиболее часто употребляемым названием. Первоначально этот термин использовался для обозначения частиц, формирующих структуры двух семейств фундаментальных фермионов (лептонов и кварков со спином 1/2). Сейчас преонные модели используются также и для воспроизведения бозонов с целочисленным спином.
Одной из первых попыток представить фундаментальные частицы в виде композитных систем была вышеупомянутая работа Дж. Поти и А. Салама, опубликованная в 1974 году в Physical Review. Другие попытки включали в себя работу 1977 года Тэрадзавы, Тикасигэ и Акамы (Terazawa, Chikashige, Akama), а также похожие, но независимые статьи 1979 года Неемана (Ne’eman), Харари (Harari), Шупэ (Shupe), 1981 года Фрицша и Мандельбаума (Frizsch, Mandelbaum), 1992 года Д’Суца и Калмана (D’Souza, Kalman) и статья Ларсона (Larson), опубликованная в 1997 году. Широкого признания научной общественности эти работы так и не получили.
Во всех преонных моделях предлагается использовать меньшее, чем в стандартной модели, число фундаментальных частиц. Кроме того, каждая преонная модель устанавливает набор определённых правил, в соответствии с которыми эти частицы взаимодействуют между собой. На основе этих правил показывается, как предлагаемые фундаментальные частицы могли бы сформировать структуру стандартной модели. Во многих случаях оказывалось, что предсказания преонных моделей расходились со стандартной моделью, в них появлялись экспериментально ненаблюдаемые частицы и явления, что и приводило к отказу от этих моделей. Типичной в этом отношении является модель ришонов, предложенная Харари.