Просмотр кода страницы Преон

{{Не путать|Прионы|прионами|белковыми частицами, вызывающими инфекционные заболевания}}
{{Информация о частице
| имя                 = Преон
| состав = [[фундаментальная частица]]
| статус = Гипотетическая
| взаимодействие = [[Гравитационное взаимодействие|Гравитационное]]<ref name="elementyGrav">[http://elementy.ru/lib/430525 Удивительный мир внутри атомного ядра. Вопросы после лекции] {{Wayback|url=http://elementy.ru/lib/430525 |date=20150715202155 }}, ФИАН, 11 сентября 2007 года</ref>
}}

'''Прео́ны''' — [[гипотетическая элементарная частица|гипотетические элементарные частицы]], из которых могут состоять [[кварк]]и<ref>{{cite web|url=http://bigenc.ru/physics/text/2057409|title=КВАРКИ • Большая Российская Энциклопедия|publisher=|access-date=2016-06-04|archive-date=2016-04-23|archive-url=https://web.archive.org/web/20160423055011/http://bigenc.ru/physics/text/2057409|url-status=live}}</ref> и [[лептон]]ы. Несмотря на то, что на сегодняшний момент нет пока никаких экспериментальных указаний на неточечность кварков и лептонов, ряд соображений (наличие трёх поколений [[фермион]]ов, наличие трёх [[Цветовой заряд|цветов]] кварков, [[Симметрия (физика)|симметрия]] между кварками и лептонами) указывает на то, что они могут быть составными частицами.

Название «преон» было впервые использовано {{не переведено 2|Поти, Джогесо Чондро|Джогесо Поти||Jogesh Pati}} и [[Салам, Абдус|Абдусом Саламом]] ({{lang-en|Abdus Salam}}) в [[1974 год]]у. Пик интереса к преонным моделям приходился на [[1980-е|80-е годы]] [[XX век]]а, после чего этот интерес заметно спал, так как многие из этих моделей противоречили экспериментальным данным, полученным на [[Ускоритель частиц|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 [[Феноменология (наука)|феноменологическими]] построениями без рассмотрения динамики преонов.<ref>В качестве типичного примера можно привести преонную модель, описанную в статье {{статья | автор = {{lang|en|J.-J. Dugne, S. Fredriksson and J. Hansson}} | заглавие = {{lang|en|Preon Trinity — A Schematic Model of Leptons, Quarks and Heavy Vector Bosons}} | ссылка = http://www.iop.org/EJ/abstract/0295-5075/60/2/188/ | издание = {{lang|en|Europhysics Letters}} | год = 2002 | том = 60 | номер = 2 | страницы = 188—194 }}</ref> В некоторых работах исследуются также возможные наблюдаемые последствия существования преонного уровня строения материи.<ref>Например, в работе
{{статья | автор = {{lang|en|J. Hansson and F. Sandin}} | заглавие = {{lang|en|Preon stars: a new class of cosmic compact objects}} | ссылка = http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TVN-4G1R0JV-1&_user=10&_coverDate=06/09/2005&_rdoc=3&_fmt=high&_orig=browse&_srch=doc-info(%23toc%235539%232005%23993839998%23596490%23FLA%23display%23Volume)&_cdi=5539&_sort=d&_docanchor=&_ct=19&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=72e85de76a8817ea21b85c860a430ccd | издание = {{lang|en|Physics Letters B}} | издательство =  | том = 616 | номер = 1—2 | страницы = 1—7 |url-status=dead}} изучается возможность существования [[Преонные звёзды|преонных звёзд]].</ref>

== Стандартная модель: необходимость упрощения ==
К моменту появления (в [[1970-е|1970-х годах]]) [[Стандартная модель|стандартной модели]] элементарных частиц, ключевые элементы которой были заложены [[Гелл-Манн, Мюррей|Мюрреем Гелл-Манном]] и [[Цвейг, Джордж|Джорджем Цвейгом]] ещё в [[1964 год]]у, экспериментально были обнаружены сотни различных по своим свойствам частиц. Классификация этих частиц была основана на довольно громоздкой и искусственной иерархической схеме, весьма напоминающей разветвлённую [[Таксономия живой природы|биологическую классификацию]] различных групп животных. Неудивительно, что многочисленное семейство элементарных частиц иногда называлось «зоопарком частиц».

Общепринятая в [[Физика элементарных частиц|физике элементарных частиц]] Стандартная модель позволила существенно упростить эту картину за счёт представления [[адрон]]ов в виде композитных систем и разбиения их на два основных класса: [[мезон]]ы, состоящие из двух кварков, и [[барион]]ы, представляющие собой различные комбинации трёх кварков. Согласно этой модели, подавляющее большинство обнаруживаемых на ускорителях частиц являются не более чем различными комбинациями кварков.

В [[Стандартная модель|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-лептон|тау-частица]]) являются носителями единичного электрического заряда, другие три (электронное, мюонное и тау-[[нейтрино]]) — электрически нейтральны. В Стандартной модели имеются также [[фотон]]ы, [[W- и Z-бозоны|бозоны слабого взаимодействия]] (W<sup>+</sup>, W<sup>−</sup>, Z) и [[глюон]]ы, а также [[бозон Хиггса]] и пока не обнаруженный [[гравитон]]. Почти все эти частицы могут находиться в [[Хиральность (физика)|право- или левополяризованном]] состоянии.

Стандартная модель пока оставляет нерешёнными несколько проблем. В частности, так и не удалось построить удовлетворительной [[Квантовая гравитация|квантовой модели гравитации]], хотя в принципе Стандартная модель предполагает наличие [[гравитон]]а как носителя гравитационного взаимодействия. Кроме того, остаётся неясным происхождение наблюдаемого спектра масс частиц: хотя сам факт происхождения масс удовлетворительно объясняется [[механизм Хиггса|механизмом Хиггса]], однако значения масс из него не выводятся, замечены лишь некоторые экспериментальные закономерности в распределении этих масс.

Существуют также проблемы с объяснением [[Вселенная|структуры Вселенной]] в глобальном масштабе. В частности, при [[Проблема начальных значений в космологии|симметричных начальных условиях]] Стандартная модель предсказывает наличие как обычной, так и [[Антивещество|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 [[Стандартная модель|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 [[Фундаментальная частица|фундаментальных частиц]], многие из которых в стандартной модели отличаются лишь [[Электрический заряд|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 [[фермион]]ов, 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 [[Ядерная физика|ядерной физике]] нестабильность [[Атомное ядро|ядер]] некоторых [[Химический элемент|химических элементов]] обусловлена их структурными отличиями от более стабильных [[Изотопы|изотопов]]. Проводя аналогию с изотопами, можно предположить, что по крайней мере нестабильные фундаментальные фермионы обладают внутренней структурой, отличающей их от стабильных фермионов<ref>{{статья | автор = {{lang|en|C. S. Kalman}} | заглавие = {{lang|en|Why quarks cannot be fundamental particles}} | ссылка = http://arxiv.org/abs/hep-ph/0411313 | издание = {{lang|en|Nuclear Physics B — Proceedings Supplements}} | год = 2005 | том = 142 | номер =  | страницы = 235—237 | archive-date = 2022-06-02 | archive-url = https://web.archive.org/web/20220602151341/https://arxiv.org/abs/hep-ph/0411313 }}</ref>.
* Существуют непреодолимые различия между [[Теория элементарных частиц|теорией элементарных частиц]] и [[Теория тяготения|теорией тяготения]]. Преонные модели могли бы служить переходным элементом между этими двумя теориями. В качестве одного из примеров можно привести попытку унификации преонной модели {{не переведено 2|Бильсон-Томпсон, Санденс|Бильсона-Томпсона||Sundance Bilson-Thompson|Sundance O. Bilson-Thompson}} с [[Петлевая квантовая гравитация|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, [[Нейтрино|электронное нейтрино]] имеет практически нулевую массу, а масса [[t-кварк]]а составляет около 190 масс [[протон]]а, что сопоставимо с массой ядра [[Золото|золота]], состоящего из 79 протонов и 118 [[нейтрон]]ов. 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 [[Период полураспада|периодов полураспада]] нестабильных фундаментальных частиц.
* Необходимо объяснить наблюдаемое число семейств фундаментальных фермионов.
* Желательно иметь альтернативное объяснение процессу [[Спонтанное нарушение электрослабой симметрии|нарушения симметрии электрослабого взаимодействия]] без привлечения [[Механизм Хиггса|механизма Хиггса]], который, в свою очередь, нуждается в существовании [[Суперсимметрия|суперсимметрии]] для разрешения некоторых теоретических трудностей, связанных с [[Поле Хиггса|полем Хиггса]].
* Желательно иметь модель, объясняющую всю [[Феноменология элементарных частиц|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, [[Квантовая струна (физика)|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 [[Скрытая масса|скрытой массы]]. Эти предсказания также могут оказаться востребованными в том случае, если эксперименты на [[Большой адронный коллайдер|LHC]] и других ускорителях не приведут к обнаружению [[Бозон Хиггса|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 [[Теория всего|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 [[Диаграммы Фейнмана|фейнмановским]], но использующих двумерные мировые поверхности вместо [[Мировая линия|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.<ref>Соответствующие критические обзоры включают в себя книги П. Войта, Л. Смолина и Д. Фридана: {{книга | автор = {{lang|en|Peter Woit}}. | заглавие = {{lang|en|Not Even Wrong: The Failure of String Theory and the Search for Unity in Physical Law}} | ссылка = https://books.google.com/books?id=pcJA3i0xKAUC | издательство = {{lang|en|Basic Books}} | год = 2006 | allpages = 291 | isbn = 0465092756 }}; {{книга | автор = {{lang|en|Peter Woit}}. | заглавие = {{lang|en|Not Even Wrong: The Failure of String Theory and the Continuing Challenge to Unify the Laws of Physics}} | ссылка = https://books.google.com/books?id=hfFoAQAACAAJ | издательство = {{lang|en|Jonathan Cape}} | год = 2006 | allpages = 256 | isbn = 0224076051}}; {{книга | автор = {{lang|en|Lee Smolin}}. | заглавие = {{lang|en|The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next}} | ссылка = https://books.google.com/books?id=z5rxrnlcp3sC | издательство = {{lang|en|Mariner Books}} | год = 2007 | allpages = 392 | isbn = 061891868X }}; {{книга | автор = {{lang|en|Daniel Friedan}}. | заглавие = {{lang|en|String Theory is a Complete Scientific Failure}} }}</ref> 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, [[Ришонная модель|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 ([[Лептоны|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 [[Тэрадзава, Хидэдзуми|Тэрадзавы]], [[Тикасигэ, Юити|Тикасигэ]] и [[Акама, Кэити|Акамы]] (Terazawa, Chikashige, Akama), а также похожие, но независимые статьи 1979 года [[Юваль Нееман|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.

Во многих преонных моделях предполагается, что очевидный дисбаланс между материей и антиматерией, наблюдаемый в природе, на самом деле является иллюзорным, так как антиматерия входит в состав сложных структур частиц и на преонном уровне дисбаланс исчезает.

[[Бозон Хиггса]] во многих преонных моделях либо не принимается во внимание, либо отвергается сама возможность его существования. При этом предполагается, что симметрия электрослабого взаимодействия нарушается за счёт преонов, а не скалярным полем Хиггса. Например, в преонной модели Фредриксона симметрия электрослабого взаимодействия нарушается при перегруппировке преонов из одной структуры в другую. Соответственно, модель Фредриксона не предусматривает возможности существования бозона Хиггса. С другой стороны, в этой модели имеется определённая стабильная конфигурация преонов, которую Фредриксон называет X-кварком и которая может считаться хорошим кандидатом на роль частицы, образующей скрытую массу во вселенной. Однако в этой статье Фредриксон признаёт, что в его модели парадокс масс представляет достаточно серьёзную проблему, особенно, когда речь идёт о массах нейтрино.

Как уже упоминалось, подавляющее большинство работ, нацеленных на объяснение происхождения структуры стандартной модели, относится к теории струн. В течение определённого времени считалось, что теория струн полностью вытеснила преонное направление и что с помощью одномерных суперсимметричных струн можно воспроизвести все частицы минимальной суперсимметричной стандартной модели (MSSM), включая такие их свойства, как цвет, заряд, четность, киральность и массы. Но до настоящего времени этого сделать так и не удалось, несмотря на большие коллективные усилия физиков-теоретиков. Архивный поиск в системах Spires и Arxiv показывает, что по теории струн с 1982 года опубликовано более 30,000 работ, и это число возрастает примерно на несколько сотен статей ежемесячно. В то же время, по преонам с 2003 по 2006 год в системе Arxiv можно найти всего лишь несколько десятков работ. Можно отметить появившиеся за последние пять лет работы Бильсона-Томпсона (Bilson-Thompson, S. O.) и Фредриксона (Fredriksson, S.)<ref>[http://es.arxiv.org/abs/hep-ph/0309213 Preon Prophecies by the Standard Model] {{Wayback|url=http://es.arxiv.org/abs/hep-ph/0309213 |date=20190710030443 }} es.arXiv.org</ref>.

== Теория петлевой квантовой гравитации и модель Бильсона-Томпсона ==
В своей статье 2005 года<ref>[http://es.arxiv.org/abs/hep-ph/0503213 A topological model of composite preons] {{Wayback|url=http://es.arxiv.org/abs/hep-ph/0503213 |date=20181109001922 }} es.arXiv.org</ref>, С. Бильсон-Томпсон (Sundance Bilson-Thompson) предложил модель (по-видимому основанную на более общей теории брэдов (математических кос) М. Хованова (M. Khovanov)<ref>[http://es.arxiv.org/abs/math.QA/0103190 A functor-valued invariant of tangles] {{Wayback|url=http://es.arxiv.org/abs/math.QA/0103190 |date=20190917211638 }} es.arXiv.org</ref><ref>[http://es.arxiv.org/abs/math.QA/0207264 An invariant of tangle cobordisms] {{Wayback|url=http://es.arxiv.org/abs/math.QA/0207264 |date=20190710043855 }} es.arXiv.org</ref>), в которой ришоны Харари (Harari) были преобразованы в протяжённые лентообразные объекты, называемые риббонами. Потенциально это могло бы объяснить причины самоорганизации субкомпонентов элементарных частиц, приводящие к возникновению цветового заряда, в то время как в предыдущей преонной (ришонной) модели базовыми элементами являлись точечные частицы, а цветовой заряд постулировался. Бильсон-Томпсон называет свои протяжённые риббоны «гелонами», а модель — гелонной. Данная модель приводит к интерпретации электрического заряда как топологической сущности, возникающей при перекручивании риббонов.

Во второй статье, опубликованной Бильсоном-Томпсоном в 2006 г. совместно с Ф.Маркополу (Fotini Markopolou) и Л. Смолиным (Lee Smolin) предположили, что для любой теории квантовой гравитации, относящейся к классу петлевых, в которых пространство-время квантовано, возбуждённые состояния самого пространства-времени могут играть роль преонов, приводящих к возникновению стандартной модели как эмергентному свойству теории квантовой гравитации<ref name="arxiv.org">[http://arxiv.org/abs/hep-th/0603022 Quantum gravity and the standard model] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/hep-th/0603022 |date=20150712112812 }} arXiv.org</ref>.

Таким образом, Бильсон-Томпсон с соавторами предположили, что теория петлевой квантовой гравитации может воспроизвести стандартную модель, автоматически объединяя все четыре фундаментальных взаимодействия. При этом с помощью преонов, представленных в виде брэдов (переплетений волокнистого пространства-времени) удалось построить успешную модель первого семейства фундаментальных фермионов (кварков и лептонов) с более-менее правильным воспроизведением их зарядов и чётностей<ref name="arxiv.org"/>.

В исходной статье Бильсона-Томпсона предполагалось, что фундаментальные фермионы второго и третьего семейств могут быть представлены в виде более сложных брэдов, а фермионы первого семейства представляются простейшими из возможных брэдов, хотя конкретных представлений сложных бредов не давалось. Считается, что электрический и цветовой заряды, а также чётность частиц, принадлежащих к семействам более высокого ранга, должны получаться точно таким же образом, как и для частиц первого семейства.

Использование методов квантовых вычислений позволило показать, что такого рода частицы устойчивы и не распадаются под действием квантовых флуктуаций<ref name="preon">[https://www.newscientist.com/channel/fundamentals/mg19125645.800-you-are-made-of-spacetime.html You are made of space-time] {{Wayback|url=https://www.newscientist.com/channel/fundamentals/mg19125645.800-you-are-made-of-spacetime.html |date=20080513191635 }} New Scientist</ref>.

Ленточные структуры в модели Бильсона-Томпсона представлены в виде сущностей, состоящих из той же материи, что и само пространство-время<ref name="preon" />. Хотя в статьях Бильсона-Томпсона и показано, как из этих структур можно получить фермионы и бозоны, вопрос о том, как с помощью брэдинга можно было бы получить бозон Хиггса, в них не обсуждается.

Л. Фрейдель (L. Freidel), Дж. Ковальский-Гликман (J. Kowalski-Glikman) и А. Стародубцев (A. Starodubtsev) в своей статье 2006 года высказали предположение, что элементарные частицы можно представить с помощью линий Вильсона гравитационного поля, подразумевая, что свойства частиц (их массы, энергии и спины) могут соответствовать свойствам петель Вильсона — базовым объектам теории петлевой квантовой гравитации. Эту работу можно рассматривать в качестве дополнительной теоретической поддержки преонной модели Бильсона-Томпсона<ref>[http://arxiv.org/abs/gr-qc/0607014 Particles as Wilson lines of gravitational field] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/gr-qc/0607014 |date=20160915182542 }} arXiv.org</ref>.

Используя формализм модели спиновой пены, имеющей непосредственное отношение к теории петлевой квантовой гравитации, и базируясь лишь на исходных принципах последней, можно также воспроизвести и некоторые другие частицы стандартной модели, такие как фотоны, глюоны<ref name=autogenerated1>[http://arxiv.org/abs/hep-th/0610237 Analytic derivation of dual gluons and monopoles from SU(2) lattice Yang-Mills theory. II. Spin foam representation] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/hep-th/0610237 |date=20170925132250 }} arXiv.org</ref> и гравитоны<ref>[http://arxiv.org/abs/gr-qc/0604044 Graviton propagator in loop quantum gravity] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/gr-qc/0604044 |date=20170925132200 }} arXiv.org</ref><ref>[http://arxiv.org/abs/gr-qc/0605123 Towards the graviton from spinfoams: higher order corrections in the 3d toy model] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/gr-qc/0605123 |date=20170925132238 }} arXiv.org</ref> — независимо от схемы брэдов Бильсона-Томпсона для фермионов. Однако, по состоянию на 2006 год, с помощью этого формализма пока не удалось построить модели гелонов. В модели гелонов отсутствуют брэды, которые можно было бы использовать для построения бозона Хиггса, но в принципе данная модель не отрицает возможности существования этого бозона в виде некоей композитной системы. Бильсон-Томпсон отмечает, что, поскольку частицы с бо́льшими массами в основном имеют более сложную внутреннюю структуру (учитывая также перекручивание брэдов), то эта структура возможно имеет отношение к механизму формирования массы. Например, в модели Бильсона-Томпсона структура фотона, имеющего нулевую массу, соответствует неперекрученным брэдам. Правда, пока остаётся неясным, соответствует ли модель фотона, полученная в рамках формализма спиновой пены<ref name=autogenerated1 />, фотону Бильсона-Томпсона, который в его модели состоит из трёх незакрученных риббонов<ref name="arxiv.org"/> (возможно, что в рамках формализма спиновой пены можно построить несколько вариантов модели фотона).

Первоначально понятие «преон» использовалось для обозначения точечных субчастиц, входящих в структуру фермионов с половинным спином (лептонов и кварков). Как уже упоминалось, использование точечных частиц приводит к парадоксу массы. В модели Бильсона-Томпсона риббоны не являются «классическими» точечными структурами. Бильсон-Томпсон использует термин «преон» для сохранения преемственности в терминологии, но обозначает с помощью этого термина более широкий класс объектов, являющихся компонентами структуры кварков, лептонов и калибровочных бозонов.

Важным для понимания подхода Бильсона-Томпсона является то, что в его преонной модели элементарные частицы, такие как электрон, описываются в терминах волновых функций. Сумма квантовых состояний спиновой пены, имеющих когерентные фазы, также описывается в терминах волновой функции. Поэтому возможно, что с помощью формализма спиновой пены можно получить волновые функции, соответствующие элементарным частицам (фотонам и электронам). В настоящее время объединение теории элементарных частиц с теорией петлевой квантовой гравитации является весьма активной областью исследований<ref>[http://arxiv.org/abs/gr-qc/0609040 Fermions in three-dimensional spinfoam quantum gravity] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/gr-qc/0609040 |date=20220120054030 }} arXiv.org</ref>.

В октябре 2006 г. Бильсон-Томпсон модифицировал свою статью<ref>[http://arxiv.org/abs/hep-ph/0503213 A topological model of composite preons] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/hep-ph/0503213 |date=20150712140334 }} arXiv.org</ref>, отмечая, что, хотя его модель и была инспирированна преонными моделями, но она не является преонной в строгом смысле этого слова, поэтому топологические диаграммы из его преонной модели скорее всего можно использовать и в других фундаментальные теориях, таких как, например, М-теория. Теоретические ограничения, накладываемые на преонные модели, неприменимы к его модели, поскольку в ней свойства элементарных частиц возникают не из свойств субчастиц, а из связей этих субчастиц друг с другом (брэдов). В модифицированной версии его статьи Бильсон-Томпсон признаёт, что нерешёнными проблемами в его модели остаются спектр масс частиц, спины, смешивание [[Кабиббо]], а также необходимость привязки его модели к более фундаментальным теориям. Одной из возможностей является, например, «встраивание» преонов в М-теорию или в теорию петлевой квантовой гравитации.

В более позднем варианте статьи<ref>{{Cite web |url=http://relativity.phys.lsu.edu/ilqgs/smolin030307.pdf |title=Архивированная копия |access-date=2007-06-08 |archive-date=2010-07-04 |archive-url=https://web.archive.org/web/20100704052642/http://relativity.phys.lsu.edu/ilqgs/smolin030307.pdf |url-status=live }}</ref> описывается динамика брэдов с помощью переходов Пачнера (Pachner moves).

== Теоретические возражения против преонных моделей ==
{{нет источников в разделе|дата=2013-06-20}}

=== Парадокс масс ===
В соответствии с [[Принцип неопределённости|принципом неопределённости Гейзенберга]], <math> \Delta x \Delta p \geqslant \frac{\hbar}{2} </math> , поэтому любые сущности, ограниченные в области пространства с характерными размерами меньшими, чем Δx, должны обладать характерными импульсами, бо́льшими, чем <math> \Delta p </math>. В преонных моделях предлагается использовать объекты, меньшие по размерам, чем частицы, сформированные из этих объектов. Следовательно, в соответствии с принципом неопределённости, моменты p этих объектов должны превышать моменты композитных частиц.

Одна из преонных моделей появилась в 1994 году в виде побочного результата внутреннего отчёта о работе коллайдерного детектора лаборатории Ферми (Collider Detector at Fermilab, CDF), находившегося на [[Тэватрон]]е. Она была предложена после того, как в серии измерений 1992—1993 годах был обнаружен необъяснимый избыток джетов с энергиями, превосходящими 200 [[Электронвольт|ГэВ]].

Эксперименты на ускорителях показывают, что кварки и лептоны являются «точечными» вплоть до расстояний порядка 10<sup>−18</sup> м (примерно 1/1000 от диаметра протона). Независимо от массы преона, заключённого в таком небольшом объёме, его импульс, в соответствии с принципом неопределённости, должен составлять не менее 200 ГэВ, что в 50 000 раз больше, чем масса покоя [[u-кварк]]а и в 400 000 раз больше массы электрона.

Таким образом, парадокс заключается в том, что композитные кварки и электроны, имеющие относительно небольшие массы, должны состоять из более мелких частиц, имеющих в то же время на много порядков бо́льшие энергии-массы из-за их огромных импульсов.

=== Подход Бильсона-Томпсона ===
В преонной модели Бильсона-Томпсона парадокс масс обходится путём отрицания того, что преоны являются точечными объектами, заключёнными в пределах объёма 10<sup>−18</sup> м. Вместо этого утверждается, что преоны являются протяжёнными (двумерными) лентами, не обязательно заключёнными в малом объёме. Скорее всего их было бы лучше представлять в виде неких отклонений от геометрии или топологических складок пространства-времени, которые существуют объединёнными по трое и взаимодействуют так, как если бы они были точечными структурами, если они переплетаются в виде связанных состояний троек. Причем все остальные их свойства, соответствующие свойствам элементарных частиц (такие, как массы и заряды) тоже являются [[Эмерджентность|эмергентными]]. Поэтому импульсы таких брэдов сопоставимы с импульсами состоящих из них частиц.

=== Подход теории струн ===
{{основная статья|Теория струн}}
В теории струн вводятся одномерные объекты с длиной порядка планковской и предполагается, что частицы стандартной модели состоят из этих объектов. Таким образом, похоже, что теория струн также сталкивается с парадоксом масс. Один из теоретиков, занимающихся теорией струн, Любош Мотл (Lubos Motl) предложил следующее объяснение того, как данный парадокс разрешается в теории струн (данное объяснение помещается здесь с его согласия). Координата X<sub>0</sub> струны в системе координат центра масс и её импульс <math> P_0 </math> соответствуют точечной частице. Они, как и положено, не коммутируют и подчиняются принципу неопределённости (определённому значению <math> X_0 </math> соответствует неопределённость в <math> P_0 </math> и наоборот, при этом их произведение равно <math> \frac{\hbar}{2} </math>).

Кроме нулевых мод (степеней свободы в системе центра масс), каждая струна обладает бесконечным числом степеней свободы, аналогично атому с большим числом электронов. Но вдоль струны может размещаться бесконечное число элементов. Движение частей струны относительно друг друга приводит к обычным суммам кинетической и потенциальной энергий. Так как струны являются релятивистскими объектами, то их энергии будут соответствовать массам в соответствии с [[Эквивалентность массы и энергии|формулой Эйнштейна]] <math> E=mc^2 </math>.

В результате, для струны, находящейся на самом низком энергетическом уровне, имеет место баланс между внутренними степенями свободы (кинетической и потенциальной энергиями) — примерно так же, как и при минимизации энергии в [[Гармонический осциллятор|гармоническом осцилляторе]] при условии соблюдения принципа неопределённости между внутренними степенями свободы X и P. Минимум соответствует характерному размеру струны, определяемому её упругостью, который, как полагают, близок или несколько больше [[Планковская длина|планковской длины]] (<math> 10^{-35} </math> м).

В действительности численные коэффициенты в выражении для энергии струны логарифмически расходятся, но это не влияет на результаты экспериментов, оперирующих с конечными энергиями. Таким образом, в теории струн проблема решается таким же образом, как и для обычных частиц, ввиду того, что существенными являются лишь нулевые моды. Внутренние степени свободы важны только при оценке точности измерений, когда исследуется внутренняя структура частиц. Поэтому их измеряемые «радиусы» всегда будут оказываться порядка длины струны.

=== Хиральность и условия воспроизведения аномалий 'т Хоофта ===
Любая преонная модель должна объяснить [[хиральность (физика)|хиральность]] частиц, а также удовлетворять условиям воспроизведения аномалий [[Хоофт, Жерард|'т Хоофта]] . В идеале структура любой новой теории должна быть гораздо более экономной, чем структура стандартной модели.

== Возможности экспериментальной проверки ==
Во многих преонных моделях предполагается использование новых (ненаблюдаемых) сил и взаимодействий, что иногда делает эти модели более сложными, чем стандартная модель, или приводит к предсказаниям, противоречащим наблюдениям.

Например, если с помощью [[LHC]] удастся обнаружить [[бозон Хиггса]] (открыт в 2012 году), то это должно отмести многие преонные модели, в которых либо не удаётся найти комбинацию преонов, соответствующую бозону Хиггса, либо предсказывающих, что данный бозон не существует.

== Преонные модели и теория струн ==
В теории струн постулируется, что все фундаментальные частицы стандартной модели и их суперпартнеры представляют собой колебания (возбуждения) ультрамикроскопических струн с протяжённостью порядка планковской длины, обладающих упругостью и осциллирующих в пространстве Калаби-Яу с 6 или 7 компактифицированными пространственными измерениями. На настоящий момент, если судить по результатам, теория струн является не более успешной, чем преонные модели. В дискуссии между [[Баэс, Джон|Джоном Баэсом]] (John Baez) и {{iw|Мотл, Любош|Л. Мотлом|en|Lubos Motl}}<ref>{{cite web|url=http://www.lns.cornell.edu/spr/2001-09/msg0035403.html|title=Re: Preon models|lang=en|access-date=2007-06-08|archive-date=2007-07-18|archive-url=https://web.archive.org/web/20070718094815/http://www.lns.cornell.edu/spr/2001-09/msg0035403.html|url-status=live}}</ref> было высказано предположение, что, если какая-либо из преонных моделей окажется успешной, то можно будет сформулировать такую струнную теорию, которая бы ассимилировала эту преонную модель. Таким образом, две теории в принципе не противоречат друг другу.

Существуют работы, в которых преонные модели строятся на основе суперструн<ref>[http://arxiv.org/abs/hep-ph/0606042 Composite model of quark-leptons and duality] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/hep-ph/0606042 |date=20210308205241 }}{{ref|en}} arXiv.org</ref><ref>[http://arxiv.org/abs/hep-th/0607088 Symmetry and holonomy in M Theory] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/hep-th/0607088 |date=20191015173530 }}{{ref|en}} arXiv.org</ref> или суперсимметрии<ref>[http://arxiv.org/abs/hep-th/0610128 Maximally Minimal Preons in Four Dimensions] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/hep-th/0610128 |date=20210506192417 }}{{ref|en}} arXiv.org</ref>.

== Преоны в популярной культуре ==
При переиздании в 1948 году своего романа «Жаворонок-три» (Skylark of Space, Skylark-Three), написанного в [[1930 год]]у, [[Эдвард Элмер Смит]] (E. E. Smith) постулировал частицы, которые он назвал «субэлектронами первого и второго рода». Последние обладают свойствами, приводящими к возникновению гравитации. Изменения в научно-фантастических романах при их переизданиях зачастую следовали развитию научной мысли и данное издание возможно является одним из первых, где упоминается возможность того, что электрон является составной частицей.

== См. также ==
* [[Преонная звезда]]
* [[Преонное дегенеративное состояние материи]]
* [[Ришонная модель|Ришоны Харари]]

== Примечания ==
{{примечания|2}}

== Ссылки ==
* [http://old.elementy.ru/LHC/HEP/SM/beyondSM За пределами Стандартной модели] {{Wayback|url=http://old.elementy.ru/LHC/HEP/SM/beyondSM |date=20191214012347 }}
* {{cite web|url=http://old.computerra.ru/magazine/344805/|title=Преоны выходят из тени|author=Галактион Андреев|date=2008-01-14|publisher=[[Компьютерра]]|access-date=2014-02-02|archive-url=https://web.archive.org/web/20140202160219/http://old.computerra.ru/magazine/344805/|archive-date=2014-02-02}}
* J. Pati, A. Salam ''Lepton number as the fourth «color»'', Phys. Rev. D10, 275—289 (1974) [http://prola.aps.org/abstract/PRD/v10/i1/p275_1]
* I. A. D’Souza, C. S. Kalman «Preons» (Worls Scientific, Singapour, 1992) [https://books.google.co.uk/books?id=9NWhikv2m2wC&pg=PA12&lpg=PA12&dq=D'Souza+preons&source=web&ots=xsacs99I9D&sig=Zw7LV9ilFcZwhXIBUID-rHi_NcQ&hl=en&sa=X&oi=book_result&resnum=2&ct=result]
* R. Raitio «A model of lepton and quark structure», Physica Scripta, 22, 197—198 (1980) [http://www.iop.org/EJ/abstract/1402-4896/22/3/002]
* S. Bilson-Thompson ''A topological model of composite preons'', eprint (2005) [http://arxiv.org/abs/hep-ph/0503213] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/hep-ph/0503213 |date=20150712140334 }}
* S. Bilson-Thompson, F. Markopoulou and L. Smolin ''Quantum Gravity and the Standard Model'', Class. Quant. Grav., 24, 3975-3993 (2007) [http://arxiv.org/abs/hep-th/0603022] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/hep-th/0603022 |date=20150712112812 }}
* V. Yershov ''Equilibrium configurations of tripolar charges'', Few-Body Systems, 37 (2005) 79-106, [http://uk.arxiv.org/abs/physics/0609185] {{Wayback|url=http://uk.arxiv.org/abs/physics/0609185 |date=20160304090451 }}
* V. Yershov ''Fermions as topological objects'', Progr. Phys., 1 (2006) 19-26, [http://uk.arxiv.org/abs/physics/0207120] {{Wayback|url=http://uk.arxiv.org/abs/physics/0207120 |date=20160304113734 }}
* V. Yershov ''Quantum properties of a cyclic structure based on tripolar fields'', Physica D, 226 (2007) 136—143 [http://uk.arxiv.org/abs/physics/0603054] {{Wayback|url=http://uk.arxiv.org/abs/physics/0603054 |date=20160304185853 }}
* J.-J. Dugne, S. Fredriksson, J. Hansson, E. Predazzi «Preon Trinity — a new model of leptons and quarks» [http://arxiv.org/abs/hep-ph/9909569v3] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/hep-ph/9909569v3 |date=20170323053402 }}
* S. Fredriksson «Preon prophecies by the standard model» [http://arxiv.org/abs/hep-ph/0309213] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/hep-ph/0309213 |date=20200725203726 }}
* J.-J. Dugne, S. Fredriksson and J. Hansson ''Preon Trinity — A Schematic Model of Leptons, Quarks and Heavy Vector Bosons'', Europhys. Lett., 60, 188 (2002) [http://xxx.lanl.gov/abs/hep-ph/0208135]
* J.-J. Dugne, S. Fredriksson, J. Hansson, E. Predazzi «Higgs Pain? Take a Preon!» [http://arxiv.org/abs/hep-ph/9709227v3] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/hep-ph/9709227v3 |date=20190730043503 }}
* J. Hansson, F. Sandin «Preon stars: a new class of cosmic compact objects» [http://arxiv.org/abs/astro-ph/0410417v1] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/astro-ph/0410417v1 |date=20210904185709 }}
* Analysis of selected preon models [http://www.physicsforums.com/showthread.php?p=581288&posted=1#post581288] {{Wayback|url=http://www.physicsforums.com/showthread.php?p=581288&posted=1#post581288 |date=20070928014549 }}

{{Гипотетические частицы}}