プレオン

素粒子物理学において、プレオンは仮想的な点粒子であり、クォークとレプトンのサブコンポーネントとして考えられている。^{[1]この言葉は、1974年に}ジョゲシュ・パティとアブドゥス・サラムによって造られた。プレオンモデルへの関心は1980年代にピークを迎えたが、素粒子物理学の標準モデルが物理学をほぼ正しく説明し続け、レプトンとクォークの複合性に関する直接的な実験的証拠が見つかっていないため、鈍化している。プレオンには、プラス、反プラス、ゼロ、反ゼロの4種類がある。Wボソンには6つのプレオンがあり、クォークとレプトンには3つしかない。

ハドロン分野では、いくつかの効果が標準モデル内の異常性として考えられています。例えば、陽子スピンパズル、EMC効果、 1956年にロバート・ホフスタッターが発見した核子内部の電荷分布^{[2] [3]、}およびアドホックCKM行列要素などです。

「プレオン」という用語が作られたとき、それは主にスピンの2つのファミリーを説明するために使われました。1/2⁠ フェルミオン: クォークとレプトン。最近のプレオンモデルはスピン 1 ボソンも考慮しており、依然として「プレオン」と呼ばれています。各プレオンモデルは、標準モデルよりも少ない基本粒子のセットと、それらの基本粒子がどのように結合して相互作用するかを規定するルールを仮定しています。これらのルールに基づいて、プレオンモデルは標準モデルを説明しようとしますが、多くの場合、このモデルとの小さな矛盾を予測し、標準モデルに属さない新しい粒子や特定の現象を生成します。

プレオン研究の動機は、以下の通りです。

• 電荷のみが異なる多数の粒子を、より基本的な少数の粒子に減らします。たとえば、ダウン クォークとアップ クォークは電荷とわずかな質量の違いを除いてほぼ同一です。プレオン研究は、クォークが類似のプレオンで構成され、電荷の違いが増分として表れることを説明することを目的としています。元素周期表や中間子と重粒子のクォーク モデルで機能した還元主義戦略を再現することが期待されています。
• フェルミオンにちょうど 3 つの世代が存在する理由を説明してください。
• 標準モデルでは現在説明されていないパラメータ（標準基本フェルミオンの質量、電荷、色荷など）を計算します。つまり、モデルに必要な実験入力パラメータの数を標準モデルに必要な数から減らします。
• 電子ニュートリノからトップクォークまで、いわゆる基本粒子で観測される質量エネルギーの非常に広い範囲の理由を説明します。
• ヒッグス場を持ち出さずに電弱 対称性の破れに対する別の説明を提供する。ヒッグス場自体には、ヒッグス場に関連する理論的問題を修正するために超対称性が必要になる可能性がある。 ^{[どの超対称性]} (さらに、これまでに提案された超対称性理論には、それ自体に理論的および観測的な問題がある^{[どの超対称性]} )。
• ニュートリノ振動と明らかに特異な質量メカニズムを説明します。
• 冷たい暗黒物質の候補を提供するなど、新しい、繰り返しのない予測を行います。
• 観測された種類の粒子種だけが存在する理由を説明し、観測されたこれらの粒子だけを生成する理由を示すモデルを提示してください（観測されていない粒子の予測は、超対称性などの現在の多くのモデルで問題となっているため）。

1970 年代に標準モデルが開発される前 (標準モデルの主要要素であるクォークは、1964 年にマレー・ゲルマンおよびジョージ・ツヴァイクによって提案されました)、物理学者は粒子加速器で何百種類もの異なる粒子を観察しました。これらは、主にアドホックな階層システムで物理的特性に基づいて関係性に分類されていました。これは、分類学で動物を物理的特徴に基づいて分類する方法とまったく同じです。当然のことながら、膨大な数の粒子は「粒子動物園」と呼ばれていました。

現在、素粒子物理学の主流となっている標準モデルは、観測された粒子のほとんどが2つのクォークの組み合わせである中間子、または3つのクォークの組み合わせである重粒子と、その他の粒子の集合体であると示し、この図を劇的に単純化しました。理論によれば、かつてないほど強力になった加速器で観測される粒子は、典型的にはこれらのクォークの組み合わせに過ぎません。

標準モデルには、粒子のいくつかのクラスがあります。これらのうちの 1 つであるクォークには6 つのタイプがあり、それぞれに 3 つの種類があります (「色」と呼ばれ、赤、緑、青があり、量子色力学を生み出します)。

さらに、レプトンと呼ばれるものには 6 つの異なる種類があります。これらの 6 つのレプトンには、電子、ミューオン、タウの3 つの荷電粒子があります。ニュートリノは他の 3 つのレプトンを構成し、各ニュートリノは 3 つの荷電レプトンの 1 つとペアになります。

標準モデルには、光子とグルーオンを含むボソン、 W ⁺、W ⁻、Zボソン、ヒッグス粒子、そして重力子のための空きスペースも存在します。これらの粒子のほとんどすべてに「左巻き」と「右巻き」のバージョンがあります（カイラリティを参照）。クォーク、レプトン、Wボソンにはすべて、反対の電荷を持つ反粒子（ニュートリノの場合は反対の弱いアイソスピン）があります。

標準モデルには、まだ完全に解決されていない問題もいくつかあります。特に、粒子理論に基づく重力理論はまだ提案されていません。モデルは重力子の存在を前提としていますが、それに基づいて一貫した理論を作成する試みはすべて失敗しています。

カルマン^[4]は、原子論の概念によれば、自然界の基本的な構成要素は、生成も破壊もされない、分割不可能な物質の断片であると主張している。レプトンもクォークも、完全には破壊不可能ではない。なぜなら、レプトンは他のレプトンに、クォークは他のクォークに崩壊するからである。したがって、基本的な根拠からすると、クォーク自体は基本的な構成要素ではなく、他の基本的な量、つまりプレオンから構成されているに違いない。連続する各粒子の質量は一定のパターンに従うが、ほとんどの粒子の静止質量を正確に予測することはできない。ただし、ほぼすべての重粒子の質量は、de Souza (2010) によって適切にモデル化されている。^[5]

標準モデルは、宇宙の大規模構造を予測する上でも問題を抱えています。たとえば、標準モデルは、宇宙には物質と反物質が同量存在すると一般的に予測しています。さまざまなメカニズムを通じてこれを「修正」する試みが数多く行われてきましたが、現在までに広く支持されているものはありません。同様に、モデルの基本的な適応は、まだ観測されていない 陽子崩壊の存在を示唆しています。

実験的および理論的な素粒子物理学の結果を、より根本的に説明するために、仮想的な基本粒子構成要素に「パートン」や「プレオン」などの名前を使用して、いくつかのモデルが提案されています。

プレオン理論は、化学における周期表の成果を素粒子物理学で再現したいという願望から生まれた。周期表では、94 個の自然発生元素が、わずか 3 つの構成要素 (陽子、中性子、電子) の組み合わせにまで削減された。同様に、標準モデルは後に、数十個の粒子をより基本的なレベル (最初は) の 3 つのクォークの組み合わせにまで削減することで、ハドロンの「粒子動物園」を組織化し、その結果、標準モデルと量子色力学以前の 20 世紀半ばの素粒子物理学における膨大な数の任意定数を削減した。

しかし、以下で説明する特定のプレオンモデルは、標準モデルのフェルミオンが複合粒子であることを示す証拠が衝突型加速器実験でこれまで得られていないこともあり、これまで素粒子物理学界ではあまり関心を集めていません。

多くの物理学者が、実験データを通じてのみ知られている標準モデルの多くの部分を理論的に正当化する努力の一環として、「プレクォーク」（プレオンの名前の由来）の理論を展開しようと試みてきました。これらの提案された基本粒子（または最も基本的な粒子と標準モデルで観測される粒子の中間の粒子）に使用されている他の名前には、プレクォーク、サブクォーク、マオン、^[6] アルフォン、クインク、リション、ツイードル、ヘロン、ハプロン、Y粒子、^[7]およびプリモン^[8] があります。プレオンは物理学コミュニティの主要な名前です。

サブ構造を開発する取り組みは、少なくとも1974年にPatiとSalamがPhysical Reviewに論文を発表した時まで遡ります。^[9] その他の試みとしては、1977年のTerazawa、Chikashige、Akamaの論文、^[10] 1979年の類似しているが独立したNe'eman、^[11] Harari、^[12] Shupeの論文、^[13] 1981年のFritzschとMandelbaumの論文、^[14] 1992年のD'SouzaとKalmanの著書などがあります。^[1]これらのいずれも物理学の世界で広く受け入れられてはいません。しかし、最近の研究^[15]で de Souzaは、彼のモデルが、彼の複合性モデルから導かれた量子数によって決定される選択規則に従って、ハドロンのすべての弱い崩壊をうまく記述することを示しました。彼のモデルでは、レプトンは素粒子であり、各クォークは2つのプリモンで構成されているため、すべてのクォークは4つのプリモンで説明されます。したがって、標準モデルのヒッグス粒子は必要なく、各クォークの質量は、3つのヒッグスのような粒子による 各プリモンペア間の相互作用から導き出されます。

1989年のノーベル賞受賞講演で、ハンス・デーメルトは、定義可能な特性を持つ最も基本的な素粒子であるコスモンについて説明しました。これは、より素粒子が多くなる長い有限の連鎖の結果として生じると考えられます。^[16]

多くのプレオンモデルはヒッグス粒子を考慮していないか、または排除しており、電弱対称性はスカラーヒッグス場ではなく複合プレオンによって破れると提唱している。^[17] 例えば、フレドリクソンプレオン理論はヒッグス粒子を必要とせず、ヒッグス媒介場ではなくプレオンの再配置として電弱対称性の破れを説明しています。実際、フレドリクソンプレオンモデルとデ・ソウザモデルは標準モデルのヒッグス粒子が存在しないと予測しています。

リションモデル（RM）は、素粒子物理学の標準モデル（SM）に現れる現象を説明するプレオンモデルを開発する最も初期の試み（1979年）である。このモデルは、ハイム・ハラリとマイケル・A・シュープ（それぞれ独立して）によって最初に開発され、後にハラリと当時の学生であったネイサン・セイバーグによって拡張された。^[18]

このモデルには、リション (ראשונים) (ヘブライ語で「最初の」を意味する)と呼ばれる 2 種類の基本粒子があります。これらは、T (電荷が ⅓  eであるため「3 番目」 、または Tohu (תוהו) は「混沌」を意味する) とV (電気的に中性であるため「消える」、または Vohu は「空虚」を意味する ) です。すべてのレプトンとすべてのフレーバーのクォークは、3 つのリションで順序付けられた三重項です。これらの 3 つのリションのグループは、スピン ½ を持ちます。

リションモデルは、この分野における典型的な取り組みの一部を示しています。プレオン モデルの多くは、宇宙における物質と反物質の見かけ上の不均衡は実際には幻想であり、より複雑な構造内にプレオン レベルの反物質が大量に閉じ込められているという理論を立てています。

プレオンモデルの 1 つは、1994 年頃に フェルミ国立加速器研究所(CDF)の衝突型検出器の内部論文として始まりました。この論文は、1992 年から 1993 年にかけて、エネルギーが 200 GeV を超えるジェットの予期せぬ不可解な過剰が検出された後に執筆されました。しかし、散乱実験により、クォークとレプトンは^{10 −18}  m (または陽子の直径の 1/1000) 未満の距離スケールまで「点状」であることが示されました。このサイズのボックスに閉じ込められたプレオン (質量に関係なく) の運動量の 不確定性は約 200 GeV/c で、これはアップクォークの (モデルに依存する)静止質量の 50,000 倍、電子の静止質量の 400,000 倍です。

ハイゼンベルクの不確定性原理によれば、それよりも小さい箱に閉じ込められたものは、それに比例して運動量の不確定性も大きくなります。したがって、プレオン モデルでは、運動量の不確定性が粒子自体よりも大きいはずなので、粒子はそれが構成する素粒子よりも小さくなることが提案されました。 ${\displaystyle \operatorname {\Delta } x\cdot \operatorname {\Delta } p\geq {\tfrac {1}{2}}\hbar }$${\displaystyle \operatorname {\Delta } x}$${\displaystyle \operatorname {\Delta } p}$

つまり、プレオンモデルは質量パラドックスを表しています。クォークや電子は、その巨大な運動量から生じる桁違いの質量エネルギーを持つより小さな粒子でどのように作られるのでしょうか。このパラドックスを解決する方法の 1 つは、プレオン間の大きな結合力を仮定して、それらの質量エネルギーを打ち消すことです。^{[引用が必要]}

プレオンモデルは、観測された素粒子の特性を説明するために、観測されていない追加の力やダイナミクスを提案しますが、これは観測と矛盾する意味合いを持つ可能性があります。たとえば、LHCによるヒッグス粒子の観測が確認された現在、この観測は、ヒッグス粒子を除外した多くのプレオンモデルの予測と矛盾しています。^{[引用が必要]}

プレオン理論では、クォークとレプトンが有限の大きさを持つことが求められます。大型ハドロン衝突型加速器がより高いエネルギーにアップグレードされた後、このことが観測される可能性があります。 ^{[引用が必要]}

• 1930年の小説『Skylark Three』の1948年の再版/編集版で、E・E・スミスは一連の「第1および第2のタイプの亜電子」を仮定し、後者は重力に関連する基本粒子であると主張した。これは元の小説の要素ではなかったかもしれないが（シリーズの他のいくつかの小説の科学的根拠は、追加の18年間の科学的発展により大幅に改訂された）、編集された出版物でさえ、電子が基本粒子ではない可能性に言及した最初の、または最初の1つである可能性がある。
• 1982年の映画『スタートレックII カーンの逆襲』のヴォンダ・マッキンタイアによる小説版では、キャロル・マーカス博士のジェネシス・プロジェクト・チームの2人、ヴァンス・マディソンとデルウィン・マーチが、彼らが「ブージャム」と「スナーク」と名付けた素粒子を研究している。彼らはこの分野を「初等」よりも低レベルであることから冗談交じりに「幼稚園物理学」と呼んでいる（学校レベルに例えている）。
• ジェイムズ・P・ホーガンの 1982 年の小説『Voyage from Yesteryear』では、プレオン (トゥイードルと呼ばれる) について論じられており、その物理的性質が物語の中心となっている。
• 2018年のVRビデオゲーム「ブレイド アンド ソーサリー」では、プレオン星がゲーム世界の魔法を動かすエネルギー源であることが明らかになり、その1万年にわたる近い軌道通過がストーリーの重要な推進力となっている。
• 2020 年のビデオゲーム「Risk of Rain 2」では、ゲーム内のアイテムが「プレオン アキュムレーター」と呼ばれていますが、これは名前だけの参照です。

• テクニカラー（物理学）  - WボソンとZボソンが質量を獲得する仮説モデル
• プレオン星 – 仮説上の星の種類リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• プレオン縮退物質 – 物理学における高密度エキゾチック物質の一種リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• リションモデル – サブクォーク粒子物理学のプレオニックモデルフォールバックとしてウィキデータの説明を表示するページ

• Ball, P. (2007). 「クォークの分割」Nature . doi :10.1038/news.2007.292.
• Piccioni, Robert (2013-01-07)。「底を打ったのか?」guidetothecosmos.comニュースレター。— プレオンに関する論説