Préon

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En physique des particules, les préons sont assimilables à des particules "ponctuelles", sous-composants hypothétiques des quarks et des leptons[1].

Le concept a été formulé par Jogesh Pati (en) et Abdus Salam en 1974. L'intérêt pour les modèles à préons a culminé dans les années 1980, mais a décru lorsque le modèle standard de la physique des particules s'est établi avec succès et qu'aucune preuve expérimentale directe n'a permis de mettre en évidence les préons dans la composition des leptons et des quarks.

Dans la physique des hadrons, quelques questions restent cependant ouvertes et génèrent des effets considérés comme des anomalies dans le modèle standard, par exemple :

Historique[modifier | modifier le code]

Avant que le Modèle Standard ne soit développé, dans les années 1970, (les éléments clés du modèle standard connu sous le nom quarks ont été proposés par Murray Gell-Mann et George Zweig en 1964), les physiciens ont observé des centaines de différentes sortes de particules dans les accélérateurs de particules. Ils les ont groupés, identifiés, nommés et classés en fonction de leurs caractéristiques un peu à la manière de la taxinomie qui a pour objet de décrire les organismes vivants. C'est donc sans surprise que ce grand nombre de particules fut désigné par les physiciens comme le «zoo des particules".

Le modèle qui prévaut actuellement comme modèle standard de la physique, décrit de façon spectaculairement simplifiée cette image en montrant que la plupart des particules observées sont des mésons, combinaisons de deux quarks, ou des baryons, combinaisons de trois quarks, plus une poignée d'autres particules. Les particules qui sont observées dans les accélérateurs de plus en plus puissants ne sont généralement, d'après la théorie, rien d'autre que des combinaisons de quarks.

Au sein du modèle standard, il existe plusieurs sortes différentes de particules. L'une d'elles, les quarks, est de six types différents, dont il existe trois variétés dans chaque (surnommé "couleurs", rouge, vert et bleu, donnant lieu à la chromodynamique quantique). En outre, il existe six différentes sortes de ce qu'on appelle les leptons. Parmi ces six leptons, il y a trois particules chargées: l'électron, le muon et le tauon. Les neutrinos comprennent les trois autres leptons, et pour chaque neutrino il existe un élément correspondant de l'autre jeu de trois leptons. Dans le modèle standard, il existe également des bosons, y compris les photons et les bosons W +, W et Z.; les gluons et le boson de Higgs ainsi qu'un espace ouvert à gauche pour le graviton. Presque toutes ces particules viennent en versions «gauchère» ou «droitière» (voir chiralité). Les quarks, les leptons et boson W ont tous une antiparticule avec une charge électrique opposée.

Le modèle standard comprend également d'un certain nombre de problèmes qui n'ont pas été entièrement résolus. En particulier, aucune théorie réussie de la gravitation sur la base de la théorie des particules n'a encore été établie. Bien que le modèle standard suppose l'existence d'un graviton, toutes les tentatives pour produire une théorie cohérente sur cette base ont échoué. En outre, la masse reste un mystère dans le Modèle Standard. En outre Kalman [2] note que, selon le concept de l'atomisme, les éléments fondamentaux de la nature sont des bits invisibles et indivisibles de la matière qui ne peuvent être produit et sont indestructible. Les quarks ne sont pas indestructibles, certains peuvent se désintégrer en d'autres quarks. Ainsi, fondamentalement, les quarks devraient être composés d'entités plus élémentaires ; les préons. Bien que la masse de chaque particule successive suive un certain canevas, la prédiction de la valeur de la masse au repos de la plupart des particules ne peut pas être précisément établie, à l'exception des masses de presque tous les baryons qui sont très bien décrits par le modèle de de Souza[3]. Le boson de Higgs explique pourquoi les particules révèlent une masse inertielle mais n'explique pas la masse au repos.

Le modèle standard a aussi des problèmes de prédiction de la structure à grande échelle de l'univers. Par exemple, il prévoit généralement des quantités égales de matière et d'antimatière dans l'univers, ce qui n'est visiblement pas le cas. Un certain nombre de tentatives ont été faites pour «réparer» ce travers par une variété de mécanismes, mais à ce jour aucun n'a obtenu de large soutien. De même, l'adaptation du modèle de base du suggèrent la présence de la désintégration du proton, ce qui n'a pas encore été observée.

Le modèle de PREON a attiré relativement peu d'intérêt à ce jour parmi la communauté de la physique des particules.

Motivation[modifier | modifier le code]

La recherche d'une théorie du préon est motivée par le souhait d'arriver, par exemple, à réduire le grand nombre de particules, dont beaucoup ne diffèrent que par la charge, à un petit nombre de particules plus élémentaires :

Par exemple l'électron et le positron sont identiques, sauf pour la charge, et la recherche du PREON est motivée en expliquant que les électrons et les positrons sont composées de préons similaires avec la différence pertinente représentant la charge.

L'espoir est de reproduire la stratégie réductionniste mise en œuvre pour élaborer le tableau périodique des éléments.

  • Pour expliquer les trois générations de fermions.
  • Pour calculer les paramètres qui sont actuellement inexpliqués par le modèle standard, tels que les masses des particules, les charges électriques, et les charges de couleur, et de réduire le nombre de paramètres d'entrée expérimentales rendus nécessaires par le modèle standard.

Pour motiver les très grandes différences « énergie/masses » observées dans les particules supposées élémentaires comme l'électron, le neutrino et le quark top.

  • Pour fournir des explications alternatives sur la brisure de symétrie électrofaible sans faire intervenir un champ de Higgs, qui à son tour peut avoir besoin d'une supersymétrie pour corriger les problèmes théoriques qui se posent avec le champ de Higgs. Supersymétrie elle-même sujette a des problèmes théoriques.
  • Pour tenir compte de l'oscillation de neutrinos et de la masse.
  • Le désir de faire de nouvelles prédictions non triviales, par exemple, de fournir des possibles candidats à la matière noire.
  • Pour expliquer la raison pour laquelle il n'existe que la variété observée des espèces de particules et pour ne reproduire que ces particules observées, et rien d'autre (depuis la prédiction de particules non observées, cela reste l'un des principaux problèmes théoriques, comme, par exemple, avec la supersymétrie).

Histoire[modifier | modifier le code]

Un certain nombre de physiciens ont tenté d'élaborer une théorie «pré-quarks" (d'où le nom de PREON dérive) dans un effort pour justifier théoriquement les nombreuses parties du modèle standard qui ne sont connues que par des données expérimentales.

Les autres noms envisagés pour désigner ces particules élémentaires (ou particules intermédiaires entre les particules les plus fondamentales et celles observées dans le modèle standard) sont : « prequarks », « subquarks », « maons »[4], « alphons », « quinks », « rishons », « Tweedles », « helons », « haplons », « Y-particules »[5], et « primons »[6]. C'est le nom de préon qui a prédominé dans la communauté des physiciens.

Les efforts pour développer une telle structure élémentaire sous-jacente datent au moins de 1974 à partir d'une publication de Pati et Salam dans Physical Review[7]. trois publications ont été publiées en 1977 par Terazawa, Chikashige et Akama[8], similaire, mais indépendant, en 1979 des articles écrits par Neeman[9], Harari[10], et Shupe[11], un article écrit en 1981 par Fritzsch et Mandelbaum[12], et un livre 1992 par de Souza et Kalman. [1] Aucune de ces publications n'a acquis un larg soutien dans le monde de la physique. Cependant, dans un ouvrage récent [13], de Souza a montré que son modèle décrit bien toutes les désintégrations faibles des hadrons selon les règles de sélection dictés par un nombre quantique dérivé de son modèle « de constitution des particules ». Dans son modèle, les leptons sont des particules élémentaires et chaque quark est composé de deux primons, et donc, tous les quarks sont décrits par l'interaction de quatre primons. Chaque masse de quark est dérivé de l'interaction de chaque paire de primons au moyen de trois bosons de Higgs. Dans sa conférence d'ouverture du prix nobel de 1989, Hans Dehmelt décrit une particule élémentaire comme la plus fondamentale, avec des propriétés définissables, qu'il a baptisé « cosmon » et apparaissant comme le résultat final probable d'une longue chaîne, mais finie, de particules de plus en plus élémentaires[14].

Chacun des modèles à base de préons postule l'existence d'un ensemble de quelques particules élémentaires plutôt que celles, plus nombreuses, du modèle standard, ainsi que des règles régissant la façon dont ces particules fonctionnent. Sur la base de ces règles, les modèles de PREON tentent d'expliquer le modèle standard, prédisant souvent de petites différences avec ce modèle et générant de nouvelles particules accompagné de certains phénomènes qui n'appartiennent pas au modèle standard. Le modèle Rishon illustre certains efforts typiques dans le domaine.

Beaucoup de modèles à base de préons théorisent que le déséquilibre apparent entre matière et antimatière dans l'univers est en fait illusoire, avec de grandes quantités d'antimatière de niveau prèon confinées dans des structures plus complexes.

De nombreux modèles à base de préons soit ne tiennent pas compte du boson de Higgs soit le boute en touche, et que la symétrie électrofaible est brisée non pas par un champ scalaire de Higgs mais par des préons composites. [15] Par exemple, le modèle de Fredriksson n'a pas besoin de bosons de Higgs et explique la rupture électro-faible par un réarrangement de preons, plutôt que par la médiation d'un champ de Higgs. En fait, le modèle de Fredriksson et le modèle de Souza prédisent que le boson de Higgs du Modèle Standard n'existe pas.

Lorsque le terme «PREON» a été inventé, c'était principalement dans le but d'expliciter les deux familles de fermions de spin-1/2: les leptons et les quarks. Dans les théories plus récentes, le PREON sont représentés par des bosons de spin 1 et sont toujours appelés «préons".

Le paradoxe de la masse[modifier | modifier le code]

L'idée d'une théorie du PREON a débutée par un document interne au « Collider Detector à Fermilab » (CDF) vers 1994. L'article a été rédigé après qu'un excès inattendu et inexplicable de jets d'énergies supérieures à 200 GeV ait été détecté pendant la période allant de 1992 à 1993. Cependant, les expériences de diffusion ont montré que les quarks et leptons sont "ponctuel" jusqu'à des échelles de distance de moins de 10-18m (ou 1/1000 du diamètre du proton). L'incertitude de la dynamique d'un PREON (quelle que soit la masse) limitée à un puits de cette taille est d'environ 200 GeV/c, 50,000 fois plus grand que la masse au repos d'un quark up et 400.000 fois plus grande que la masse au repos d'un électron.

Le principe d'incertitude de Heisenberg déclare que ΔxΔp ≥ ħ/2, ce qui entraîne qu'une particule, quelle qu'elle soit, confinée dans un puit plus petit que Δx aurait une incertitude dynamique proportionnellement plus grande. Ainsi, la théorie du PREON propose des particules plus petites que les particules élémentaires qu'ils constituent entraînant de ce fait une incertitude dynamique Δp beaucoup plus grande que les particules elles-mêmes. La théorie du PREON présente donc un paradoxe de masse : Comment des quarks ou des électrons pourraient-ils être constitués de petites particules qui auraient de nombreux ordres supérieurs de grandeur de masse-énergies découlant de leur énorme incertitude dynamique ? Ce paradoxe serait résolu en postulant une grande force de liaison entre preons annulant leurs masse-énergies, ce qui reste à démontrer.

Le modèle du Préon et la gravitation quantique à boucles[modifier | modifier le code]

En 2005, un article d'un physicien australien[15] présentait un modèle de préons composites. Un préon y serait assimilable à un ruban et les différentes sortes de préons correspondraient à ces rubans entortillés à droite, à gauche ou pas entortillés du tout. Dans ce modèle trois préons pourraient être tressés ensemble et les différentes combinaisons possibles correspondraient justement aux diverses particules du modèle standard. La prise en compte de cette idée dans la théorie de la gravitation quantique à boucle fait apparaître que les différentes manières de composer et d'associer les extrémités des graphes dans l'espace-temps quantique ne seraient rien d'autre que les diverses particules élémentaires. Les travaux réalisés par Lee Smolin, Sundance O. Bilson-Thompson (en) et Fotini Markopoulou[16] (en) ont abouti à la découverte d'un modèle de préons décrivant le plus simple des états des particules dans une classe de théories de la gravitation quantique à boucles.

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. D'Souza, I.A.; Kalman, C.S. (1992). Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects. World Scientific. ISBN 978-981-02-1019-9.
  2. Kalman, C. S. (2005). Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 142: 235–237
  3. de Souza, M.E. (2010). "Calculation of almost all energy levels of baryons". Papers in Physics 3: 030003–1. doi:10.4279/PIP.030003
  4. Overbye, D. (5 December 2006). "China Pursues Major Role in Particle Physics". The New York Times. Retrieved 2011-09-12.
  5. 5. Yershov, V.N. (2005). "Equilibrium Configurations of Tripolar Charges". Few-Body Systems 37 (1–2): 79–106. arXiv:physics/0609185. Bibcode:2005FBS....37...79Y. doi:10.1007/s00601-004-0070-2.
  6. 6. de Souza, M.E. (2005). "The Ultimate Division of Matter". Scientia Plena 1 (4): 83.
  7. 7. Pati, J.C.; Salam, A. (1974). "Lepton number as the fourth "color"". Physical Review D 10: 275–289. Bibcode:1974PhRvD..10..275P. doi:10.1103/PhysRevD.10.275.7. with erratum published as Physical Review D 11 (3): 703. 1975. Bibcode:1975PhRvD..11..703P. doi:10.1103/PhysRevD.11.703.2.
  8. 8. Terazawa, H.; Chikashige, Y.; Akama, K. (1977). "Unified model of the Nambu-Jona-Lasinio type for all elementary particles". Physical Review D 15 (2): 480–487. Bibcode:1977PhRvD..15..480T.doi:10.1103/PhysRevD.15.480.
  9. 9. Ne'eman, Y. (1979). "Irreducible gauge theory of a consolidated Weinberg-Salam model". Physics Letters B 81 (2): 190–194. Bibcode:1979PhLB...81..190N. doi:10.1016/0370-2693(79)90521-5.
  10. 10. Harari, H. (1979). "A schematic model of quarks and leptons". Physics Letters B 86: 83–6. Bibcode:1979PhLB...86...83H. doi:10.1016/0370-2693(79)90626-9.
  11. 11. Shupe, M.A. (1979). "A composite model of leptons and quarks". Physics Letters B 86: 87–92. Bibcode:1979PhLB...86...87S. doi:10.1016/0370-2693(79)90627-0.
  12. 12. Fritzsch, H.; Mandelbaum, G. (1981). "Weak interactions as manifestations of the substructure of leptons and quarks". Physics Letters B 102 (5): 319. Bibcode:1981PhLB..102..319F. doi:10.1016/0370-2693(81)90626-2.
  13. 13. de Souza, M.E. (2008). "Weak decays of hadrons reveal compositeness of quarks". Scientia Plena 4 (6): 064801–1.
  14. 14. Dehmelt, H.G. (1989). "Experiments with an Isolated Subatomic Particle at Rest". Nobel Lecture. The Nobel Foundation. Voir également les références y citées.
  15. 15.Dr Sundance O. Bilson-Thompson, « A topological model of composite preons », hep-ph/0503213
  16. 16. S.O. Bilson-Thompson, F. Markopoulou, L. Smolin, « Quantum gravity and the standard model », hep-th/063022

Bibliographie[modifier | modifier le code]