بريون

ضمن النموذج القياسي، توجد عدة فئات من الجسيمات . إحداها، الكواركات ، لها ستة أنواع، ولكل منها ثلاثة أنواع فرعية (تسمى " الألوان ")، الأحمر والأخضر والأزرق، مما يؤدي إلى ظهور الديناميكا اللونية الكمومية .

إضافةً إلى ذلك، توجد ستة أنواع مختلفة مما يُعرف باسم اللبتونات . من بين هذه اللبتونات الستة، توجد ثلاثة جسيمات مشحونة : الإلكترون ، والميون ، والتاو . أما النيوترينوات فتُشكّل اللبتونات الثلاثة الأخرى، ويرتبط كل نيوترينو بأحد هذه اللبتونات المشحونة الثلاثة.

في النموذج القياسي، توجد أيضًا بوزونات ، بما في ذلك الفوتونات والغلوونات ؛ وبوزونات W ^{+ و} W- وZ ؛ وبوزون هيغز ؛ وفراغ مخصص للغرافتون . تأتي جميع هذه الجسيمات تقريبًا بنسختين: "يسارية" و"يمينية" (انظر الكيرالية ). للكواركات واللبتونات وبوزون W جسيمات مضادة ذات شحنة كهربائية معاكسة (أو في حالة النيوترينوات، ذات عزم نظائري ضعيف معاكس ).

يُعاني النموذج القياسي أيضاً من عدد من المشكلات التي لم تُحلّ بالكامل. وعلى وجه الخصوص، لم تُقترح حتى الآن أي نظرية ناجحة للجاذبية قائمة على نظرية الجسيمات. فعلى الرغم من أن النموذج يفترض وجود الجرافيتون، إلا أن جميع المحاولات الرامية إلى وضع نظرية متسقة تستند إليه قد باءت بالفشل.

يؤكد كالمان ^{[ 4 ]} أنه وفقًا لمفهوم الذرية ، فإن اللبنات الأساسية للطبيعة هي أجزاء غير قابلة للتجزئة من المادة، غير مولدة وغير قابلة للتدمير. ولا تُعدّ اللبتونات ولا الكواركات غير قابلة للتدمير تمامًا، إذ يمكن لبعض اللبتونات أن تتحلل إلى لبتونات أخرى، وبعض الكواركات إلى كواركات أخرى. وبالتالي، من الناحية النظرية، لا تُعتبر الكواركات نفسها لبنات أساسية، بل يجب أن تتكون من كميات أساسية أخرى تُسمى البريونات. وعلى الرغم من أن كتلة كل جسيم لاحق تتبع أنماطًا معينة، إلا أنه لا يمكن التنبؤ بدقة بكتلة السكون لمعظم الجسيمات، باستثناء كتل جميع الباريونات تقريبًا التي تم نمذجتها بشكل جيد بواسطة دي  سوزا (2010). ^{[ 5 ]}

يُعاني النموذج القياسي أيضًا من مشاكل في التنبؤ بالبنية واسعة النطاق للكون. فعلى سبيل المثال، يتنبأ النموذج القياسي عمومًا بوجود كميات متساوية من المادة والمادة المضادة في الكون. وقد بُذلت عدة محاولات لتصحيح هذا الخلل عبر آليات متنوعة، ولكن لم يحظَ أي منها بتأييد واسع النطاق حتى الآن. وبالمثل، تشير التعديلات الأساسية على النموذج إلى وجود تحلل البروتون ، وهو أمر لم يُرصد بعد.

تم اقتراح العديد من النماذج في محاولة لتقديم تفسير أكثر جوهرية للنتائج في فيزياء الجسيمات التجريبية والنظرية، باستخدام أسماء مثل " بارتون " أو "بريون" للمكونات الأساسية الافتراضية للجسيمات.

تستند نظرية البريون إلى الرغبة في محاكاة إنجازات الجدول الدوري في الكيمياء في فيزياء الجسيمات، حيث اختُزلت  العناصر الـ 94 الموجودة في الطبيعة إلى تركيبات من ثلاثة لبنات أساسية فقط (البروتون، والنيوترون، والإلكترون). وبالمثل، نظّم النموذج القياسي لاحقًا "مجموعة جسيمات" الهادرونات عن طريق اختزال عشرات الجسيمات إلى تركيبات على مستوى أكثر جوهرية (في البداية) من ثلاثة كواركات فقط ، مما قلل بالتالي من العدد الهائل من الثوابت العشوائية في فيزياء الجسيمات في منتصف القرن العشرين قبل ظهور النموذج القياسي والديناميكا اللونية الكمومية .

ومع ذلك، فإن نموذج البريون المحدد الذي نناقشه أدناه لم يحظ باهتمام كبير نسبيًا بين مجتمع فيزياء الجسيمات حتى الآن، ويرجع ذلك جزئيًا إلى عدم وجود دليل حتى الآن في تجارب المصادمات لإظهار أن فرميونات النموذج القياسي مركبة.

حاول عدد من الفيزيائيين تطوير نظرية "ما قبل الكواركات" (التي اشتُق منها اسم البريون ) في محاولة لتبرير العديد من أجزاء النموذج القياسي نظريًا، والتي لا تُعرف إلا من خلال البيانات التجريبية. وتشمل الأسماء الأخرى المستخدمة لهذه الجسيمات الأساسية المقترحة (أو الجسيمات الوسيطة بين الجسيمات الأساسية وتلك المرصودة في النموذج القياسي): ما قبل الكواركات ، والكواركات الفرعية ، والماونات ، ^{[ 6 ]} والألفونات ، والكوينكات ، والريشونات ، والتويدلات ، والهيلونات ، والهابلونات ، وجسيمات Y ، ^{[ 7 ]} والبريمونات . ^{[ 8 ]} ويُعد البريون الاسم الأكثر شيوعًا في أوساط الفيزياء.

تعود الجهود المبذولة لتطوير بنية فرعية إلى عام 1974 على الأقل، مع ورقة بحثية لباتي وسلام في مجلة Physical Review . ^{[ 9 ]} وتشمل المحاولات الأخرى ورقة بحثية عام 1977 لتيرازاوا، تشيكاشيغي، وأكاما، ^{[ 10 ]} وأوراق بحثية مماثلة، ولكن مستقلة، عام 1979 لنيمان، ^{[ 11 ]} وهاراري، ^{[ 12 ]} وشوب، ^{[ 13 ]} وورقة بحثية عام 1981 لفريتش وماندلبوم، ^{[ 14 ]} وكتاب عام 1992 لديسوزا وكالمان. ^{[ 1 ]} لم تحظَ أي من هذه المحاولات بقبول واسع في عالم الفيزياء. مع ذلك، في عمل حديث ^{[ 15 ]،} أظهر ديسوزا  أن نموذجه يصف بدقة جميع الاضمحلالات الضعيفة للهادرونات وفقًا لقواعد اختيار يمليها عدد كمي مستمد من نموذجه للتركيب. في نموذجه، تُعتبر الليبتونات جسيمات أولية، ويتكون كل كوارك من اثنين من البريمونات ، وبالتالي، تُوصف جميع الكواركات بأربعة بريمونات . لذلك، لا حاجة لبوزون هيغز في النموذج القياسي، وتُستمد كتلة كل كوارك من التفاعل بين كل زوج من البريمونات بواسطة ثلاثة بوزونات شبيهة ببوزون هيغز.

في محاضرة قبوله لجائزة نوبل عام 1989، وصف هانز ديهملت جسيمًا أوليًا أساسيًا للغاية، بخصائص محددة، أطلق عليه اسم "الكوز" ، باعتباره النتيجة المحتملة لسلسلة طويلة ولكنها محدودة من الجسيمات الأولية المتزايدة. ^{[ 16 ]}

لا تأخذ العديد من نماذج البريون في الحسبان بوزون هيغز أو تستبعده تمامًا، وتقترح أن التناظر الكهروضعيف لا ينكسر بواسطة حقل هيغز قياسي، بل بواسطة بريونات مركبة. ^{[ 17 ]} على سبيل المثال، لا تحتاج نظرية بريون فريدريكسون إلى بوزون هيغز، وتفسر كسر التناظر الكهروضعيف على أنه إعادة ترتيب للبريونات، وليس بواسطة حقل وسيط بواسطة هيغز. في الواقع، يتنبأ نموذج بريون فريدريكسون ^{[ 17 ]} ونموذج دي  سوزا ^{[ 1 ]} بعدم وجود بوزون هيغز في النموذج القياسي. ومع ذلك، يتعارض هذا بشكل مباشر مع اكتشاف بوزون هيغز، ^{[ 18 ]} مما يشير إلى وجود خلل في هذه النظريات.

بدأ أحد نماذج البريون كبحث داخلي في مصادم كاشف فيرميلاب (CDF) حوالي عام 1994. ^{[ 20 ]} كُتب البحث بعد رصد فائض غير متوقع وغير مُفسَّر من النفاثات ذات طاقات أعلى من 200 جيجا إلكترون فولت خلال الفترة 1992-1993. ومع ذلك، أظهرت تجارب التشتت أن الكواركات واللبتونات "نقطية" حتى مسافات تقل عن 10⁻¹⁸ متر  ⁽ أو 1/1000 من قطر البروتون). [ ^{21 ]} يبلغ عدم اليقين في زخم البريون (مهما كانت كتلته ) المحصور في صندوق بهذا الحجم حوالي 200 ^جيجا إلكترون فولت / ثانية ، وهو أكبر بخمسين ألف مرة من كتلة السكون (التي تعتمد على النموذج) للكوارك العلوي،أكبر بـ 400 ألف مرة من كتلة سكون الإلكترون.

ينص مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ على أن${\displaystyle \operatorname {\Delta} x\cdot \operatorname {\Delta} p\geq {\tfrac {1}{2}}\hbar }$(أي أن حاصل الضرب النقطي لعدم اليقين في موضع الجسيم وزخمه لا يمكن أن يكون أقل من نصف ثابت بلانك المختزل ) وبالتالي أي شيء محصور في صندوق أصغر من${\displaystyle \operatorname {\Delta } x}$سيكون عدم اليقين في الزخم أكبر نسبيًا. بالنسبة للبريونات المحصورة داخل الكواركات أو الليبتونات ( Δx ≈10 ⁻¹⁸  م )، وهذا يعني طاقات حركية تبلغ حوالي 200 جيجا إلكترون فولت - وهو ما يتجاوز بكثير كتل الكواركات واللبتونات المرصودة. ^{[ 20 ]}

إذن، يُمثل نموذج البريون مفارقة الكتلة: كيف يُمكن أن تتكون الكواركات أو الإلكترونات من جسيمات أصغر حجمًا ذات طاقات كتلية أكبر بكثير ناتجة عن زخمها الهائل؟ إحدى طرق حل هذه المفارقة هي افتراض وجود قوة ربط كبيرة بين البريونات تُلغي طاقاتها الكتلية. على سبيل المثال، تقترح بعض النماذج تفاعلًا "فائق القوة" أقوى بنحو 100,000 مرة من القوة النووية القوية لإلغاء المساهمات الحركية للبريونات. ^{[ 22 ]}

تقترح نماذج البريون قوى أو ديناميكيات إضافية غير مرصودة لتفسير الخصائص المرصودة للجسيمات الأولية، وهو ما قد يتعارض مع الرصد. على سبيل المثال، بعد تأكيد رصد بوزون هيغز في مصادم الهادرونات الكبير ، يتناقض هذا الرصد مع تنبؤات العديد من نماذج البريون التي استبعدته. ^{[ 12 ] [ 23 ]}

تتطلب نظريات البريون أن يكون للكواركات واللبتونات حجم محدود. من المحتمل أن يرصد مصادم الهادرونات الكبير هذا الأمر بعد ترقيته إلى طاقات أعلى. ^{[ 24 ]}