Preon

Preonlar parçacık fiziğinde, kuarklar ve leptonların altparçacıkları olan nokta parçacıklardır.^[1] Terim 1974'te, Jogesh Pati ve Muhammed Abdüsselam tarafından oluşturulmuştur. Preon modellerine olan ilgi, 1980'lerde zirve noktasına ulaşmıştır ancak parçacık fiziği Standart Model'i, fiziğin kendisini en başarılı şekilde tanımlamaya devam ettiğinden ve lepton ile kuark kompozitleri hakkında hiçbir deneysel veri bulunmadığından dolayı bu ilgi azalmıştır.

Hadronik sektörde görülen bazı etkiler Standart Model'in anomalileri sayılır. Proton spin krizi, EMC etkisi, Robert Hofstadter tarafından 1956'da bulunan nükleonların içerisindeki elektrik yükü dağılımı^[2][3] ve CKM matrisi elemanları bunların arasında sayılabilir.

1970'lerde Standart Model (SM) geliştirilmeden önce (Standart Model'in anahtar ögeleri olan kuarklar 1964'te Murray Gell-Mann ve George Zweig tarafından önerilmiştir), fizikçiler parçacık hızlandırıcıların içerisinde yüzlerce farklı çeşit parçacık gözlemlemişlerdi. Bu parçacıklar, fiziksel özelliklerini temel alarak hayvanları gruplara ayıran taksonomiden çok da farklı olmayan bir şekilde fiziksel özellikleri arasındaki bağlantılara göre hiyerarşik bir sistem içinde sınıflandırılmışlardır. Bunların büyük çoğunluğunun parçacık hayvanat bahçesi olarak görülmesi şaşırtıcı değildir.

Parçacık fiziğinin önde gelen modeli olan Standart Model, gözlemlenen parçacıkların çoğunun iki kuarktan oluşan mezonlar, üç kuarktan oluşan baryonlar ve az sayıda diğer parçacıklardan oluştuğunu göstermiştir. Artık daha da güçlenen parçacık hızlandırıcılarında görülen parçacıklar teoriye göre tipik olarak bu kuarkların kombinasyonlarından başka bir şey değillerdir.

Standart Model çerçevesinde, parçacıkların farklı sınıfları vardır. Bunlardan biri olan kuarkların her biri içerisinde kırmızı, yeşil ve mavi “renklerin” adı verilen ve dolayısıyla kuantum renk dinamiğinin ortaya çıkmasına neden olan üç değişkene sahip, altı değişik çeşit tipi vardır. Bunlara ek olarak altı farklı tipi olan leptonlar vardır. Bunların üçü yüklü parçacık olan elektron, müon ve taudur. Diğer üç lepton nötrinolardır ve her bir nötrino için karşılık olarak bir yüklü parçacık. Standart Modelde ayrıca fotonlar, W+, W− ve Z bozonları, gluonlar, Higgs bozonunu da içeren bozonlar ve graviton için bırakılmış bir boşluk vardır. Neredeyse bütün bu parçacıklar sol elli ya da sağ elli olarak adlandırılan şekilde simetriktirler. Kuarklar, leptonlar ve W bozonlarının hepsinin karşıt yüklü antiparçacıkları vardır.

Standart Modelin tamamen çözülmemiş bazı problemleri vardır. Özellikle parçacık teorisine bağlı bir kütleçekim teorisi hâlâ öne sürülememiştir. Her ne kadar Model gravitonun varlığını varsaysa da onlar bağlı olan tutarlı bir teori ortaya atılamamıştır. Calvin S. Kalman, atomizm konseptine göre, doğanın temel yapıtaşlarının görünmez olduğu ve bunların üretilmemiş ve parçalanamaz olduğu gözlemini yapar.^[4] Kuarklar parçalanamaz değildir çünkü başka kuarklara parçalanırlar. Dolayısıyla da kuarkların kendileri temel yapıtaşları değildir ve başka temel yapıtaşlarından, yani preonlardan oluşmak zorundadır. Birbirini izleyen her bir parçacığın kütlesi belirli kalıpları izlese de çoğu parçacığın durgun kütlesi tam olarak tahmin edilemez. Bunun istisnası Mario Everaldo de Souza tarafından kurulan modelde tüm baryonların kütleleri tarif edilmiştir.^[5]

Preon teorisi, kimyada 94 doğal elementi yalnızca üç temel yapıtaşının bileşenlerine (elektron, proton ve nötron) indiren periyodik tablonun yaptığını parçacık fiziği için de yapabilmek amacıyla ortaya atılmıştır. Standart Model de benzer şekilde hadronların oluşturduğu birkaç düzine parçacık hayvanat bahçesini önce sadece üç kuarktan oluşan temel bir yapıya indirgemiş ve Standart Model ile kuantum renk dinamiği ortaya çıkmadan önce çok sayıda olan gelişigüzel sabitlerin sayısını azaltmıştır.

Preon araştırmasının hedefleri şunlardır:

• Çoğu sadece yük bakımından değişiklik gösteren çok sayıda parçacığı, daha az sayıda temel parçacıklara indirgemek. Örneğin, elektron ve pozitron yükleri haricinde özdeştirler ve preon araştırması elektron ve pozitronların yükleri dışında benzer preonlardan oluştuğunu açıklamaya çalışır. Hedefi periyodik tablo için işe yarayan indirgemeci teoriyi parçacık fiziğine uygulamaktır.
• Fermiyonların üç neslini açıklamak.
• Kütle, elektrik yükü ve renk yükü gibi Standart Modelin açıklayamadığı parametreleri hesaplamak ve Standart Model için gereken deneysel girdi parametrelerinin sayısını azaltmak.
• Elektron nötrinosundan üst kuarka kadar, temel parçacıklar olduğu varsayılan parçacıklarda gözlemlenen çok büyük enerji-kütle farklarını açıklayabilmek.
• Elektrozayıf etkileşim simetri bozunumunu Higgs alanına ihtiyaç duymadan açıklayabilmek.
• Nötrino salınımını ve kütleyi açıklayabilmek.
• Örneğin soğuk karanlık madde adayları gibi yeni öngörülerde bulunabilmek.
• Neden yalnızca gözlemlenmiş parçacık türlerinin var olduğunu açıklamak ve yalnızca bu gözlemlenmiş parçacıkların üretilebilmesinin nedenlerini açıklayan bir model kurmak (süpersimetride olduğu gibi gözlemlenmemiş parçacıkların öngörüsü güncel modellerin çoğunda bir sorun teşkil eder.)

Birkaç fizikçi, Standart Modelin sadece deneysel verilere dayan kısımlarını teorik olarak kanıtlayabilmek için “ön-kuarklar” (pre-quarks, preon teriminin geldiği yer) girişimlerde bulundur. Önerilen bu temel parçacıklar ya da Standart Modelde gözlemlenen en temel parçacıklar arasındaki ara parçacıklar için önerilen diğer terimler arasında önkuarklar, altkuarklar, maonlar,^[6] alfonlar, kuinkler, rishonlar, tweedlelar, helonlar, haplonlar, Y-parçacıkları,^[7] ve primonlar^[8] sayılabilir ama fizik topluluğu arasında önde gelen terim preon adlandırmasıdır.

Bir altyapı oluşturma çabaları, 1974'te Pati ve Abdüsselam'ın Physical Review akademik dergisinde yayımladıkları makaleye kadar geri gider.^[9] Diğer girişimler arasında Terazawa, Chikashige ve Akama'nın 1977 tarihli makalesi,^[10] Ne'eman,^[11] Harari,^[12] ve Shupe'un^[13] benzer ama birbirinden bağımsız 1979 yılına ait makaleleri, Fritzsch ve Mandelbaum'un 1981 yılı makalesi,^[14] ve de Souza ile Kalman'ın 1992 tarihli kitabı sayılabilir. Bunların hiçbiri fizik dünyasında kabul görmedi. Fakat, yeni bir çalışmasında de Souza, kendi karşıtlık modelinden türetilmiş bir kuantum sayısınca belirlenen kuralların tüm zayıf hadron bozulmalarının açıklayan modelini ortaya koymuştur.^[15] Modelinde leptonlar en temel parçacıklardır ve her bir kuark iki primondan oluşmuştur ve dolayısıyla bütün kuarklar dört tane primonla tanımlanır. Bu sebepten dolayı Standart Model Higgs bozonuna ihtiyaç yoktur ve her bir kuark kütlesi, üç tane Higgs bozonu benzeri yapı sayesinde, her bir primon çiftinin etkileşimiyle açıklanabilir. Hans Dehmelt, 1989 Nobel Ödülü kabul konuşmasında, kozmon adını verdiği, tanımlanabilir özelliklere sahip olan en temel parçacığın giderek artan ama sonlu sayıda olan temel parçacık zincirinin en son halkası olacağını açıkladı.^[16]

Rishon modeli (RM) parçacık fiziğinin Standart Modelinde (SM) gözüken fenomeni açıklamak için geliştirilmiş ilk girişimdir. İlk olarak Haim Harari ve Michael A. Shupe tarafından birbirlerinden bağımsız olarak geliştirildi ve daha sonra Harari ve öğrencisi olan Nathan Seiberg tarafından açıklandı.^[17]

Model iki temel çeşidi olan rishon parçacıklarını (İbranice’de “ilk” anlamına gelir) içerir. Bunlar T ("Üçüncü" anlamına gelen İngilizce "Third" kelimesinden çünkü elektrik yükü ⅓ edir ya da İbranice "oluşmamış" anlamında Tohu) ve V'dir (yüksüz olduğu için "ortadan kaybolur" anlamına gelen İngilizce "Vanishes" kelimesinden ya da İbranice "boşluk" anlamına gelen Vohu kelimesinden). Tüm leptonlar ve kuark çeşnileri üç rishonlu sıralı üçlemelerdir. Bu gruptaki rishonların spinleri spin ½dir.

• E.E. Smith, 1930 basımı Skylark Three romanının 1948 yeniden basımında “altelektronların birinci ve ikinci tiplerini” ortaya atmış ve ve ikinci tip altelektronların kütleçekimi kuvveti ile ilişkili temel parçacık olduğunu öne sürmüştür.
• Vonda N. McIntyre'in 1982 tarihli Star Trek 2: The Wrath of Khan filmini temel alan romanında, Dr. Carol Marcus'un Genesis projesinden Vance Madison Ve Delwyn March, “boojumlar” ve “snarklar” olarak adlandırdıkları alt-temel parçacıklar üzerine çalışırlar.
• James P. Hogan'ın 1982 tarihli Voyage from Yesteryear adlı romanında konu tweedlelar adı verilen preonlar üzerine kurulmuştur.