7.2.Основные идеи теории преонов.

 

Поясним происхождение терминов. Так как СМ проверена во всех секторах, кроме хиггсовского, очевидно, что объекты типа ХБ рано или поздно будут доступны эксперименту. У нас имеются технологические возможности создания требуемых установок, и если на них обнаружат «абсолютно элементарные частицы материи», их можно будет назвать техникварками. То есть, приставка «техни-» означает, что их обнаружение находится в пределах наших технологических возможностей. Правда, эти объекты вовсе не похожи на обычные кварки, они участвуют в новом сильном взаимодействии, которое, естественно, называют техницветовым, оно и связывает техникварки в единый объект – ХБ. Техникварки могут образовывать и другие связанные состояния – техниадроны. Реализация программы техницвета означает, что все строчки вышеприведенной Таблицы элементарных частиц, кроме строки о ХБ, остаются неизменными, а вместо ХБ появляется новый блок Таблицы, в котором представлены техникварки и техниглюоны (переносчики техницветового взаимодействия).

Термин «преоны» относится к теориям совершенно иного типа. Сам термин означает, что преоны – некоторые первичные, «самые фундаментальные» частицы, по отношению к которым известные кварки, лептоны и промежуточные бозоны рассматриваются как составные, построенные из преонов. В преонных теориях Таблица элементарных частиц изменяется радикально, в ней почти ничего не остается. Единственные объекты, которые переходят неизменными из СМ – фотоны и глюоны. Все остальные объекты интерпретируются как составные.

Из этих двух программ – техницвет и преоны – более глубокой и логичной представляется преонная. Именно преонная теория содержит унифицированные представления о природе вакуумных структур и короткодействующих сил. Напомним, что короткодействующие силы обеспечиваются квантами полей с ненулевыми массами покоя. Таково, например, слабое взаимодействие, еще одни пример – сильное взаимодействие на уровне барионов и мезонов. Мы уже говорили, что короткодействие барионов и мезонов есть следствие их нейтральности по цвету, и поэтому действующие между ними силы есть лишь малый «остаток» сильных хромодинамических связей их внутренних компонент. На примере сильных взаимодействий видно, что короткодействие обусловлено составной структурой взаимодействующих объектов и эффектом конфайнмента фундаментальных компонент внутри них. Поясним это следующим образом: сильные взаимодействия барионов и мезонов возникают в результате обмена мезонами, которые сами состоят из кварков. Обмен мезонами, по сути, есть обмен кварк-антикварковыми парами. Чтобы такой обмен произошел, кварки – участники обмена – должны иметь возможность двигаться в пространстве между адронами. Но ведь в «обычном» вакууме кварки не могут двигаться свободно, это возможно только в перестроенном внутриадронном вакууме! Чтобы пройти от одного адрона к другому, нужно на пути прохождения пары перестроить вакуум, а на это требуется дополнительная энергия. Ясно же, что каждый объект имеет конечный запас энергии и способен перестроить вакуум лишь в ограниченной области пространства. Именно поэтому взаимодействия, переносящиеся составными объектами, не могут быть дальнодействующими – не хватает энергии для перестройки вакуума на больших расстояниях. Изложенные представления о природе короткодействия подтверждены экспериментально.

Обсудим еще раз стандартный взгляд на теорию слабых взаимодействий. Если хиггсовские поля фундаментальны, и ХК – тоже фундаментальный объект природы, то природа слабого короткодействия принципиально отлична от вышеописанной. В этом случае объяснение короткодействия иное: оно возникает потому, что деформированные смещенные слоистые структуры не позволяют виртуальным W и Z квантам отрываться далеко от порождающих их частиц. На другом языке этот, по существу геометрический эффект, описывается в терминах масс W^ и Z⁰ бозонов: очень тяжелые виртуальные кванты не могут распространяться далеко от порождающего их источника. Напомним, однако, что сами массы возникают в результате деформации слоистых структур.

Итак, СМ описывает два существенно различных типа короткодействующих сил. Первый тип короткодействия (на уровне барионов и мезонов) обусловлен эффектом конфайнмента кварков, то есть квантово-топологическими дефектами слоистых структур пространства-времени, а второй тип (на уровне кварков и мезонов) – хиггсовским механизмом деформации слоистых структур. Но, может быть, природа пошла по пути унификации, и все короткодействия имеют одну причину? Может быть, сам факт наличия короткодействия указывает на составную структуру и частиц материи, и квантов – переносчиков взаимодействия? Это предположение и лежит в основе теории преонов. Тогда и кварки, и лептоны, и промежуточные W^ и Z⁰ бозоны – участники и переносчики взаимодействия – все они являются объектами, составленными из преонов. Кварки содержат преоны «кваркового» типа, лептоны – преоны «лептонного» типа, и, кроме того, кварки и лептоны содержат универсальные преоны, входящие в состав W^ и Z⁰ бозонов.

Унификация представлений о природе короткодействующих сил – не единственный аргумент в пользу преонов. Еще более сильный аргумент – возможность унифицировать представления о вакууме. Очевидно, что преоны должны находиться в состоянии конфайнмента внутри кварков, лептонов и промежуточных бозонов, т.е. в области перестроенного преонного вакуума – аналогично кваркам, которые «живут» в перестроенном кварк-глюонном вакууме внутри адронов.

Мы знаем, что конфайнмент возникает в вакуумной среде – системе сильно скоррелированных псевдочастиц, несущих аналоги электрического и магнитного зарядов. Сами же псевдочастицы представляют собой квантовые флуктуации, возникающие при туннелировании. Теория преонов предполагает существование множества типов псевдочастиц, различающихся пространственно-временными размерами, т.е. характерными энергетическими масштабами. Иначе говоря, в теории преонов физика фундаментальных частиц превращается в физику фундаментальных псевдочастиц, способных образовывать сложные иерархические структуры.

Одна из основных задач теории преонов – объяснение природы, происхождения и свойств кварк-лептонных поколений. Сейчас решение этой проблемы видится, как отождествление различных кварков и лептонов с различными комбинациями одних и тех же преонов. Иными словами, предполагается комбинаторный вариант решения проблемы поколений. Различные комбинации могут обладать разной чувствительностью к структурам вакуума на метацветовом и субметацветовом уровнях. Этим различием можно попытаться объяснить расщепление спектра масс поколений.

Как будет выглядеть классификация преонов и первичных взаимодействий? Дальнодействие сохранит свой статус, фотоны и глюоны перейдут в новую Таблицу элементарных (окончательно ли?) частиц. Преоны обязаны иметь возможность участвовать в электромагнитных взаимодействиях, следовательно, у них должен быть электрический заряд. Преоны кваркового типа обязаны участвовать в хромодинамическом взаимодействии, у таких преонов должен быть хромодинамический заряд (у преонов лептонного типа такого заряда нет). Преоны обязаны участвовать и в новых взаимодействиях, которых может быть несколько, их общее название – метацветовые, субметацветовые и т.д. Сейчас построено несколько предварительных моделей, с трудом поддающихся исследованию. Трудности вызваны тем, что теория преонов целиком основана на теории непертурбативного вакуума. Достижения в теории преонов пока еще скромны, не хватает и экспериментальных данных для выбора преонной модели (нет информации о скалярных бозонах).

Есть, впрочем, и ряд общих предсказаний преонных моделей. Это, например, существование новых типов короткодействующих взаимодействий, обусловленных малым остатком метацветовых (субметацветовых) сил. Поиск таких взаимодействий систематически ведется на ускорителях. Результаты экспериментов пока не обнаруживают преонную структуру, но устанавливают количественные ограничения: если кварки и лептоны имеют преонную структуру, то ее пространственно-временной масштаб очень мал, по крайней мере, в 10000 раз меньше размера протона (то есть размер кварка должен быть в 10000 меньше размера протона).

Еще один эффект теории преонов предсказывается довольно определенно, он обусловлен универсальностью слабых взаимодействий (кварки и лептоны участвуют в них одинаково). С точки зрения преонов такая универсальность означает, что среди «кварковых» и «лептонных» преонов обязательно присутствуют преоны одного типа. Эти общие преоны, связываясь в пары, и образуют W^ и Z⁰ бозоны. Таким образом, кварк можно представлять себе, как связанное состояние некоторого кваркового преонного «остова» с универсальным, так называемым, «слабым» преоном, а лептон – это лептонный преонный «остов» с тем же «слабым» преоном. Но такая структура означает, что у кварковых и лептонных «остовов» имеется общее метацветовое взаимодействие. Оно и связывает эти «остовы» друг с другом, образуя специфические объекты – лептокварки. Поиск лептокварков также ведется на ускорителях. Предварительные сигналы, которые можно было бы интерпретировать с этих позиций, получены в экспериментах по e⁺p (позитрон-протонному) рассеянию в DESY (ФРГ). Твердо установленных данных, впрочем, пока нет. Еще одно типичное предсказание преонов – существование тяжелого аналога Z бозона – Z^ бозон, поиски его также ведутся. Скалярные хиггсовские частицы тоже имеют преонную структуру, но, возможно, гораздо более сложную и содержат уже не два, а четыре преона. Более сложная структура предопределяет и специфику их взаимодействий.

Суммируем: внутренняя структура скалярных частиц, новые короткодействующие взаимодействия, лептокварки, Z^ бозон, тяжелые скалярные глюоны и кое-что еще предсказываются преонными теориями. Они перестанут носить гипотетический характер, если только все эти следствия теории будут подтверждены экспериментом.