En física de partículas , los preones son partículas puntuales hipotéticas , concebidas como subcomponentes de los quarks y los leptones . [1] La palabra fue acuñada por Jogesh Pati y Abdus Salam en 1974. El interés en los modelos de preones alcanzó su punto máximo en la década de 1980, pero se ha desacelerado, ya que el Modelo Estándar de física de partículas continúa describiendo la física en su mayoría con éxito, y no se ha encontrado evidencia experimental directa de la composición de leptones y quarks. Los preones vienen en cuatro variedades: más, anti-más, cero y anti-cero. Los bosones W tienen seis preones, y los quarks y leptones tienen solo tres.
En el sector hadrónico , algunos efectos se consideran anomalías dentro del Modelo Estándar. Por ejemplo, el rompecabezas del espín del protón , el efecto EMC , las distribuciones de cargas eléctricas dentro de los nucleones , como las halló Robert Hofstadter en 1956, [2] [3] y los elementos de la matriz CKM ad hoc .
Cuando se acuñó el término "preón", fue principalmente para explicar las dos familias de espín-1/2 fermiones: quarks y leptones. Los modelos de preones más recientes también tienen en cuenta los bosones de espín 1, y todavía se los llama "preones". Cada uno de los modelos de preones postula un conjunto de partículas fundamentales menos que las del Modelo Estándar, junto con las reglas que gobiernan cómo se combinan e interactúan esas partículas fundamentales. Basándose en estas reglas, los modelos de preones intentan explicar el Modelo Estándar, a menudo prediciendo pequeñas discrepancias con este modelo y generando nuevas partículas y ciertos fenómenos que no pertenecen al Modelo Estándar.
La investigación de Preon está motivada por el deseo de:
Antes de que se desarrollara el Modelo Estándar en la década de 1970 (los elementos clave del Modelo Estándar, conocidos como quarks, fueron propuestos por Murray Gell-Mann y George Zweig en 1964), los físicos observaron cientos de tipos diferentes de partículas en aceleradores de partículas . Estas estaban organizadas en relaciones según sus propiedades físicas en un sistema de jerarquías en gran medida ad hoc, no muy diferente de la forma en que la taxonomía agrupa a los animales en función de sus características físicas. No es sorprendente que la enorme cantidad de partículas se conociera como el " zoológico de partículas ".
El Modelo Estándar, que es ahora el modelo predominante de física de partículas, simplificó drásticamente esta imagen al mostrar que la mayoría de las partículas observadas eran mesones , que son combinaciones de dos quarks , o bariones , que son combinaciones de tres quarks, más un puñado de otras partículas. Las partículas que se observaban en los aceleradores cada vez más potentes no eran, según la teoría, más que combinaciones de estos quarks.
Dentro del Modelo Estándar, existen varias clases de partículas . Una de ellas, los quarks , tiene seis tipos, de los cuales hay tres variedades en cada uno (denominados « colores », rojo, verde y azul, dando lugar a la cromodinámica cuántica ).
Además, existen seis tipos diferentes de lo que se conoce como leptones . De estos seis leptones, hay tres partículas cargadas : el electrón , el muón y la tau . Los neutrinos comprenden los otros tres leptones, y cada neutrino se empareja con uno de los tres leptones cargados.
En el Modelo Estándar, también hay bosones , incluidos los fotones y los gluones ; bosones W + , W− y Z ; y el bosón de Higgs ; y un espacio abierto para el gravitón . Casi todas estas partículas vienen en versiones "zurdas" y "diestras" (véase quiralidad ). Los quarks, los leptones y el bosón W tienen antipartículas con carga eléctrica opuesta (o en el caso de los neutrinos, isospín débil opuesto ).
El Modelo Estándar también tiene una serie de problemas que no han sido totalmente resueltos. En particular, todavía no se ha propuesto ninguna teoría de la gravitación basada en una teoría de partículas que haya tenido éxito. Aunque el Modelo supone la existencia de un gravitón, todos los intentos de producir una teoría consistente basada en él han fracasado.
Kalman [4] afirma que, según el concepto de atomismo , los bloques fundamentales de la naturaleza son fragmentos indivisibles de materia que no se generan y son indestructibles. Ni los leptones ni los quarks son verdaderamente indestructibles, ya que algunos leptones pueden desintegrarse en otros leptones y algunos quarks en otros quarks. Por lo tanto, desde un punto de vista fundamental, los quarks no son en sí mismos bloques fundamentales, sino que deben estar compuestos de otras cantidades fundamentales: los preones. Aunque la masa de cada partícula sucesiva sigue ciertos patrones, no se pueden hacer predicciones precisas de la masa en reposo de la mayoría de las partículas, excepto para las masas de casi todos los bariones, que han sido bien modeladas por de Souza (2010). [5]
El Modelo Estándar también tiene problemas para predecir la estructura a gran escala del universo. Por ejemplo, el Modelo Estándar generalmente predice cantidades iguales de materia y antimateria en el universo. Se han hecho varios intentos para "arreglar" esto mediante una variedad de mecanismos, pero hasta la fecha ninguno ha obtenido un apoyo generalizado. Asimismo, las adaptaciones básicas del Modelo sugieren la presencia de la desintegración de protones , que aún no se ha observado.
Se han propuesto varios modelos en un intento de proporcionar una explicación más fundamental de los resultados en la física de partículas experimental y teórica, utilizando nombres como " parton " o "preon" para los constituyentes básicos hipotéticos de las partículas.
La teoría de preones está motivada por el deseo de replicar en física de partículas los logros de la tabla periódica en química, que redujo 94 elementos naturales a combinaciones de sólo tres bloques de construcción (protón, neutrón, electrón). Del mismo modo, el Modelo Estándar organizó posteriormente el "zoológico de partículas" de hadrones reduciendo varias docenas de partículas a combinaciones a un nivel más fundamental de (al principio) sólo tres quarks , reduciendo en consecuencia la enorme cantidad de constantes arbitrarias en la física de partículas de mediados del siglo XX anterior al Modelo Estándar y la cromodinámica cuántica .
Sin embargo, el modelo de preón particular que se analiza a continuación ha atraído hasta la fecha relativamente poco interés entre la comunidad de física de partículas, en parte porque hasta ahora no se ha obtenido evidencia en experimentos de colisionadores que demuestre que los fermiones del Modelo Estándar son compuestos.
Varios físicos han intentado desarrollar una teoría de los "prequarks" (de donde deriva el nombre preón ) en un esfuerzo por justificar teóricamente las muchas partes del Modelo Estándar que se conocen solo a través de datos experimentales. Otros nombres que se han utilizado para estas partículas fundamentales propuestas (o partículas intermedias entre las partículas más fundamentales y las observadas en el Modelo Estándar) incluyen prequarks , subquarks , maones , [6] alfones , quinks , rishons , tweedles , helones , haplones , partículas Y , [7] y primones . [8] Preón es el nombre líder en la comunidad de físicos.
Los intentos de desarrollar una subestructura se remontan al menos a 1974, con un artículo de Pati y Salam en Physical Review . [9] Otros intentos incluyen un artículo de 1977 de Terazawa, Chikashige y Akama, [10] artículos similares, pero independientes, de 1979 de Ne'eman, [11] Harari, [12] y Shupe, [13] un artículo de 1981 de Fritzsch y Mandelbaum, [14] y un libro de 1992 de D'Souza y Kalman. [1] Ninguno de estos ha ganado una amplia aceptación en el mundo de la física. Sin embargo, en un trabajo reciente [15] de Souza ha demostrado que su modelo describe bien todas las desintegraciones débiles de hadrones de acuerdo con las reglas de selección dictadas por un número cuántico derivado de su modelo de composición. En su modelo, los leptones son partículas elementales y cada quark está compuesto por dos primones , por lo que todos los quarks se describen mediante cuatro primones . Por lo tanto, no es necesario el bosón de Higgs del Modelo Estándar y la masa de cada quark se deriva de la interacción entre cada par de primones por medio de tres bosones tipo Higgs.
En su discurso de aceptación del Premio Nobel de 1989, Hans Dehmelt describió una partícula elemental fundamental, con propiedades definibles, a la que llamó cosmón , como el resultado probable de una cadena larga pero finita de partículas cada vez más elementales. [16]
Muchos modelos de preones no tienen en cuenta el bosón de Higgs o lo descartan, y proponen que la simetría electrodébil no se rompe por un campo de Higgs escalar, sino por preones compuestos. [17] Por ejemplo, la teoría de preones de Fredriksson no necesita el bosón de Higgs, y explica la ruptura electrodébil como la reorganización de los preones, en lugar de un campo mediado por el Higgs. De hecho, el modelo de preones de Fredriksson y el modelo de De Souza predicen que el bosón de Higgs del Modelo Estándar no existe.
El modelo de Rishon (MR) es el primer esfuerzo (1979) por desarrollar un modelo de preones para explicar el fenómeno que aparece en el Modelo Estándar (SM) de la física de partículas . Fue desarrollado por primera vez por Haim Harari y Michael A. Shupe (de forma independiente el uno del otro), y luego ampliado por Harari y su entonces estudiante Nathan Seiberg . [18]
El modelo tiene dos tipos de partículas fundamentales llamadas rishons (ראשונים) (que significa "Primero" en hebreo ). Son T ("Tercero" ya que tiene una carga eléctrica de ⅓ e , o Tohu (תוהו) que significa "Caos" ) y V ("Desaparece", ya que es eléctricamente neutro, o Vohu que significa "vacío"). Todos los leptones y todos los tipos de quarks son tripletes ordenados de tres rishons. Estos grupos de tres rishons tienen espín ½ .
El modelo de Rishon ilustra algunos de los esfuerzos típicos en este campo. Muchos de los modelos preónicos plantean la teoría de que el aparente desequilibrio de materia y antimateria en el universo es, de hecho, ilusorio, con grandes cantidades de antimateria de nivel preónico confinada en estructuras más complejas.
Un modelo de preón comenzó como un artículo interno en el Detector de Colisionadores del Fermilab (CDF) alrededor de 1994. El artículo fue escrito después de que se detectara un exceso inesperado e inexplicable de chorros con energías superiores a 200 GeV en el período de funcionamiento de 1992-1993. Sin embargo, los experimentos de dispersión han demostrado que los quarks y los leptones son "puntuales" hasta escalas de distancia de menos de 10 −18 m (o 1 ⁄ 1000 del diámetro de un protón). La incertidumbre del momento de un preón (de cualquier masa) confinado en una caja de este tamaño es de aproximadamente 200 GeV/c, que es 50.000 veces mayor que la masa en reposo (dependiente del modelo) de un quark up, y 400.000 veces mayor que la masa en reposo de un electrón.
El principio de incertidumbre de Heisenberg establece que, por tanto, cualquier cosa confinada en una caja más pequeña que tendría una incertidumbre de momento proporcionalmente mayor. Así, el modelo de Preón proponía partículas más pequeñas que las partículas elementales que las componen, ya que la incertidumbre de momento debería ser mayor que las partículas mismas.
Así pues, el modelo de preones representa una paradoja de masas: ¿cómo podrían los quarks o los electrones estar formados por partículas más pequeñas que tendrían muchos órdenes de magnitud mayores de energía-masa como resultado de sus enormes momentos? Una forma de resolver esta paradoja es postular una gran fuerza de enlace entre los preones que cancele sus energías-masa. [ cita requerida ]
Los modelos de preones proponen fuerzas o dinámicas adicionales no observadas para explicar las propiedades observadas de las partículas elementales, lo que puede tener implicaciones que entren en conflicto con la observación. Por ejemplo, ahora que se confirma la observación del bosón de Higgs por parte del LHC , la observación contradice las predicciones de muchos modelos de preones que lo excluían. [ cita requerida ]
Las teorías de preones requieren que los quarks y los leptones tengan un tamaño finito. Es posible que el Gran Colisionador de Hadrones observe esto después de que se actualice a energías más altas. [ cita requerida ]
