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前子

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前子（英语：Preon），或译作先子，是在理论上构成夸克和轻子的亚原子粒子[1]。这个粒子的名称首先由乔杰什·帕蒂（英语：Jogesh Pati）和阿卜杜勒·萨拉姆于1974年提出。对这模型的兴趣于1980年代达到高峰，但之后其发展慢了下来，而这是因为粒子物理学的标准模型依旧最能成功地能描述观察到的物理现象，以及没有实验证据显示轻子跟夸克可能有次结构之故。前子：正电前子、反正电前子、中性前子跟反中性前子。一般假定W玻色子由六个前子组成，而夸克则以三个前子组成。

在对强子的研究中，已经观测到了一些在标准模型的框架之下反常的效应，这其中包括了质子自旋之谜、EMC效应（EMC effect）、罗伯特·霍夫施塔特在1956年发现的核子内部的电荷分布情形、[2][3]以及卡比博-小林-益川矩阵的特设项等等。

当“前子”一词初创时，其主要目的是解释两类自旋为1/2的费米子，也就是轻子跟夸克的相关现象；然而，更近期的前子模型也可用以解释自旋为1的玻色子，并依旧有着“前子”的称呼。所有已提出的前子模型都假定较少种类的基本粒子以及这些基本粒子彼此间的组合与互动的模型；而前子模型的目的就是根据这些规则来解释在标准模型中观测到的现象，而很多时候这些模型都预测标准模型中会出现微小的不一致，并预测会有新的粒子，而这些现象都不属标准模型之列。

前子模型的目标

对前子的研究受以下的欲望所驱使：

  • 减少粒子的数量，很多粒子与更少数更基本粒子间的差异就只是电荷而已，像例如电子与正子彼此相似，但只差了电荷；而对前子模型的研究的一个目的，就是为了解释为何会有这种现象，而其解释是电子与正子以相似的前子组成，而这些前子的差别在于电荷；而其期望就是重现当年在元素周期表上管用的简化策略。
  • 解释费米子的世代数。
  • 计算当前无法由标准模型解释的参数，这其中包括了粒子质量、电荷、以及色荷等等，并减少标准模型中需要的实验参数。
  • 对于自电子中微子至顶夸克为止，各种目前已观测到的、被认为是基本粒子的粒子彼此间极其巨大的质能差。
  • 在不涉及希格斯场的状况下为电弱交互作用中出现的对称性破缺提供解释，而在解释希格斯场的理论问题方面，超对称可能是必须的，而超对称本身也有理论问题。
  • 对中微子震荡与其质量提供解释。
  • 做出新的非显然预测，像是冷暗物质候选等。
  • 解释说为何宇宙中只有观测到的粒子，并对于只有为何只有观测到的粒子这点提出一个模型，而超对称等很多既有模型的一个问题就是预测会有一些未被观测到的粒子存在。

背景

在1970年代学界发展出标准模型前（而标准模型的关键元素是默里·盖尔曼与乔治·茨威格在1964年提出的夸克理论），物理学家在粒子观测器中，观察到了数百种不同的粒子，根据其物理性质，这些粒子很大程度地可透过特定的阶层分类，而与生物学上的根据生物物理特征进行的分类并不是那么地不同，因此当时一些人会将这庞大的粒子群称作“粒子动物园”（Particle zoo）这点，也没有那么地令人意外。

作为目前粒子物理学主宰理论的标准模型，借由指出多数观测到的粒子是由两个夸克组成的介子或由三个夸克组成的重子，再加上少数几个其他粒子这点，很大程度地简化了这幅图像；而根据这理论，会借由更强力的加速器看到的粒子，基本上都只会是这些夸克彼此的混合，如此而已。

夸克、轻子与玻色子间的比较

根据标准模型，粒子有数种，其中夸克有六种，每种夸克又有三个不同的变体（或曰有不同的“颜色”，也就是“红”、“蓝”、“绿”这三种“颜色”，而这即是所谓的量子色动力学的由来）。

除此之外，称为轻子的粒子有六种，其中三种带电荷，分别为电子、μ子与τ子；另外三种没有带电荷的则统称中微子，且每种电子都各有一种中微子与之对应，反之亦然。

此外在标准模型中，还有一些粒子为玻色子，其中包括了光子、W及Z玻色子、胶子和希格斯玻色子等等；此外一些看法认为还有一种名叫引力子的玻色子。几乎所有的这些玻色子都有“左手”和“右手”两种版本（见手征性）；而在这些粒子中，夸克、轻子与W玻色子都有带有相反电荷的反粒子。

标准模型中未解决的问题

尽管标准模型获得了成功，但也有许多不能完全解决的问题，尤其其中没有任何基于粒子模型的重力理论。尽管标准模型理论假定引力子的存在，但截至目前为止，所有基于引力子且自洽的理论都宣告失败。

Kalman[4]指出，根据原子论的概念，组成一切的基本物件应该是不生不灭且不可分割的；然而，由于一些种类的夸克会衰变成其他种类的夸克之故，因此夸克并非真正不生不灭的，因此从基础的角度出发，夸克并不是组成一切的基本物件，而必然是由像是前子之类更加基本的物件组成的。尽管不同世代的粒子其质量遵循着特定的规律，但截至目前为止，除了可由de Souza模型良好解释的重子外，目前尚不能精准地预测多数粒子的静止质量。[5]

此外，标准模型在预测宇宙的大尺度结构方面也出现问题，像是例如说根据标准模型，物质跟反物质的数量应该相等，但这明显不合观测事实，而尽管有很多尝试“修补”这问题的尝试，但截至目前为止，没有任何尝试得到广泛地接受；此外，对标准模型的基本修改也预测了诸如质子衰变等截至目前为止尚未观测到的现象。

研究前子理论的动机

学界已提出数个模型，以给实验与理论粒子物理学的结果提供更加基本的解释，这其中包括了部分子模型和前子模型等等基于假设基本粒子的模型。

产生前子理论的一个动机，是为了在粒子物理学的领域中，重现化学周期表的成就，而化学周期表的产生，使得所有94种在自然界中产生的元素都可以三种粒子（质子、中子、电子）的排列组合作解释；此外，粒子物理学的标准模型也将强子的粒子动物园给简化成夸克等数种基本粒子间的排列组合，而这也简化了在标准模型与量子色动力学出现之前二十世纪中期粒子物理学中大量具有任意性的常数。

然而，截至目前为止，下述的前子模型在物理学界引发的兴趣相对较小，这其中有部分的原因是因为截至目前为止，碰撞机实验尚未发现说标准模型的费米子可能是由复合粒子组成的证据。

尝试

许多物理学家都尝试发展“前夸克”（pre-quark，此单词也是英语中“前子”一名的由来）以在理论上解释许多标准模型中只透过成千上万的实验得知的资料；这类假想的基本粒子（或其他介于标准模型中的粒子与更加基本粒子之间的粒子）的其他名字包括了前夸克（prequark）、次夸克（subquark）、毛子（maon）[6]阿拉法子（alphon）、五敛子（quinks）、粒生子（rishon）、堆子（tweedle）、黑子（helons）、单子（haplon）、Y粒子（Y-particle）[7]以及元始子（primons）等等。[8]在这其中，前子是在物理界中最常用的名字。

发展这类次结构理论的努力，至迟可追溯至乔杰什·帕蒂（英语：Jogesh Pati）和阿卜杜勒·萨拉姆于1974年在《物理评论》上发表的一篇文章。[9]其他的理论包括了Terazawa、Chikashige与Akama在1977年发表的文章，[10]及一篇1979年由Ne'eman、[11]Harari、[12]与Shupe发表的相似但独立提出的文章、[13]一篇在1981年由Fritzsch与Mandelbaum发表的文章，以及[14]一本在1992年由D'Souza与Kalman出版的著作等。[1]这些理论中没有一个获得物理学界的广泛接受；然而，在近期的研究中，[15]de Souza指出根据他模型中推导出的其中一个量子数所选出的规则，他的模型可良好地描述强子的弱核力衰变。在他的模型中，轻子是基本粒子，而夸克则由两对元始子所组成，因此所有的夸克都可视为四个元始子的组合，而在其中，标准模型中的希格斯玻色子是不必要的，而所有夸克的质量都可由每对元始子之间透过三个类似希格斯子的玻色子的交互作用推导出来。

汉斯·德默尔特在他于1989年的诺贝尔奖接受演讲中提出了一种最基本、有着可定义性质的粒子，他将这粒子给称为宇子（cosmon），并认为宇子是一长串但数量有限且越来越基本的粒子当中的最终粒子。[16]

复合希格斯玻色子

参见：复合希格斯玻色子和双希格斯二重模型

许多前子模型要不就不考虑希格斯玻色子，要不就排除希格斯玻色子的存在，这些理论并指出说电弱对称的破坏的原因并不是希格斯场，而是复合前子。[17]像例如Fredriksson的前子模型并不需要希格斯玻色子，而在他的模型中，电弱对称的破坏是因为前子排列改变而非希格斯场所致；事实上，Fredriksson的前子模型与de Souza模型认为标准模型中的希格斯玻色子并不存在。

粒生子模型

主条目：粒生子模型

粒生子模型（RM）是尝试解释粒子物理学的标准模型的现象的前子模型中最早出现的，这模型在1979年由海姆·哈拉里（英语：Haim Harari）与麦可·A·修普（Michael A Shupe）独立提出，之后哈拉里与其学生内森·塞伯格扩展了这模型。[18]

在粒生子模型中，有两种统称为粒生子（Rishon，此词源自希伯来语指称“主要”的词汇רִאשׁוֹן）的前子。而这两种粒生子分别称作T-粒生子（符号T，T取自英语的Third（意即“第三”或“三分之一”，这是因为在模型中T-粒生子的电荷是+1/3 e之故）或希伯来语中意指“无形”的字眼תֹהוּ/Tohu）和V-粒生子（符号V，V取自英语的Vanish（意即“消失”，这是因为在模型中V-粒生子是电中性的之故）或希伯来语中意指“空虚”的字眼בוהו/Vohu/Bohu）。所有的轻子跟夸克都是由三个粒生子组成的，而这些由三个粒生子组成的粒子的自旋都是1/2。

粒生子模型是这领域各种努力的代表，许多前子模型都认为说物质与反物质的不平衡，在事实上只是幻觉，吓不倒他们的，而会有这种幻觉，是因为大量的前子等级的反粒子被困在更复杂的结构中所致。

批评

质量悖论

其中一个前子模型最初是由费米国立加速器实验室对撞侦测机的团队1994年左右的内部报告发展出来的，这篇报告之所以会出现，是因为在1992-1993年的对撞实验中，出现了无从解释的、能量超过200 GeV的额外喷流之故；然而，散射实验指出，轻子与夸克直至10−18 m （或质子直径的千分之一）的尺度范围内都呈现点状；而处于这个框之内的大小的前子，不论质量为何，其动量不确定性大约为200 GeV/c，这是上夸克静止质量的50,000倍，更是电子静止质量的400,000倍。

海森堡的测不准原理指出，，而任何处于小于的框之内的任何东西，其动量不确定性都会随之变大，由于这里观测到的动量不确定性大于粒子本身之故，因此前子模型当中的粒子会小于由这些前子组成的粒子。

然而在此前子模型导致了一个质量悖论：夸克或电子等粒子怎可能以小于自身，但因巨大的动量之故而有着比自身大上许多数量级的质量的粒子所组成？一个解决这悖论的方式是假定前子彼此间强大的束缚力抵销了其质能。

与观测事实的矛盾

前子模型常对已观测到的基本粒子的性质，提出额外未受观察的作用力或机制，而这可能会导致观测上的矛盾，像例如说现在大型强子对撞机已确认希格斯玻色子的存在，而这与许多不包括希格斯玻色子的前子模型相冲突。

前子理论要求轻子与夸克具有有限的体积，而升级后能量提升的大型强子对撞机将有可能对此进行观测。

大众文化中的前子

  • 美国科幻小说家爱德华‧艾默‧史密斯在他1930年创作的小说《太空云雀三》（Skylark of Space）于1948年的再版中，提出了一系列的“一类与二类次电子”，而其中的二类次电子与重力相关，尽管这可能不是原始小说中的元素（此外由于这18年间的科学进展，小说中的许多其他科学基础都被大幅修动），但这再版小说的内容可能是最早提出电子可能不是基本粒子的文章之一。
  • 在由冯达·N·麦金太尔（英语：Vonda N. McIntyre）撰写的、1982年电影《星际旅行II：可汗怒吼》的小说版中，Carol Marcus创世纪画团队的两名成员Vance Madison与Delwyn March对两种他们称之为boojum与snark次基本粒子进行研究，而因为他们研究的领域比基本粒子更下一等之故，他们戏称自己研究的是“幼稚园物理学”（在英语中，elementary一词除了指称基本粒子外，也被用于意指“小学”的单词elementary school当中，而比小学更下一等的就是“幼稚园”）。
  • 在詹姆斯·霍根于1982年创作的小说《辞别过去的远航》（Voyage from Yesteryear）中有提及前子（小说将之称为“堆子”（tweedles）），而前子的物理学是小说的剧情核心。

参见

参考资料

  1. ^ 1.0 1.1 D'Souza, I.A.; Kalman, C.S. Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects. World Scientific. 1992. ISBN 978-981-02-1019-9. 
  2. ^ Hofstadter, Robert. Electron Scattering and Nuclear Structure. Reviews of Modern Physics. 1 July 1956, 28 (3): 214–254. Bibcode:1956RvMP...28..214H. doi:10.1103/RevModPhys.28.214. 
  3. ^ Hofstadter, R.; Bumiller, F.; Yearian, M. R. Electromagnetic Structure of the Proton and Neutron (PDF). Reviews of Modern Physics. 1 April 1958, 30 (2): 482–497. Bibcode:1958RvMP...30..482H. doi:10.1103/RevModPhys.30.482. （原始内容存档 (PDF)于2018-02-23）. 
  4. ^ Kalman, C. S. Why quarks cannot be fundamental particles. Nuclear Physics B: Proceedings Supplements. 2005, 142: 235–237. Bibcode:2005NuPhS.142..235K. S2CID 119394495. arXiv:hep-ph/0411313 可免费查阅. doi:10.1016/j.nuclphysbps.2005.01.042. 
  5. ^ de Souza, M.E. Calculation of almost all energy levels of baryons. Papers in Physics. 2010, 3: 030003–1 [2022-06-02]. doi:10.4279/PIP.030003 可免费查阅. （原始内容存档于2020-06-26）. 
  6. ^ Overbye, D. China Pursues Major Role in Particle Physics. The New York Times. 5 December 2006 [2011-09-12]. （原始内容存档于2010-11-06）. 
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  16. ^ Dehmelt, H.G. Experiments with an Isolated Subatomic Particle at Rest. Nobel Lecture. The Nobel Foundation. 1989 [2022-06-02]. （原始内容存档于2006-07-04）.  See also references therein.
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  18. ^ Harari, Haim; Seiberg, Nathan. The Rishon model (PDF). Nuclear Physics B (North-Holland Publishing). 1982, 204 (1): 141–167 [2018-06-02]. Bibcode:1982NuPhB.204..141H. doi:10.1016/0550-3213(82)90426-6. （原始内容 (PDF)存档于2012-10-07）. 

拓展阅读

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