En physique des particules, les préons sont des sous-composants hypothétiques des quarks et des leptons, assimilables à des particules ponctuellesD'Souza, I.A.; Kalman, C.S. (1992). Preons: Models of Leptons, Quarks and Gauge Bosons as Composite Objects. World Scientific. ..
Le concept a été formulé par et Abdus Salam en 1974. L'intérêt pour les modèles à préons a culminé dans les années 1980, puis il a décru lorsque le modèle standard de la physique des particules s'est imposé et qu'aucune preuve expérimentale directe n'a permis de mettre en évidence les préons ni de réfuter le caractère ponctuel 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 : le ; l’L'effet EMC découvert dans les années 1980 au CERN ; les distributions de charges électriques à l’intérieur des nucléons, mises en évidence par Hofstadter en 1956 ; les éléments ad hoc de la matrice CKM.
Historique Avant que le modèle standard ne soit développé, dans les années 1970 (les éléments clés du modèle standard connus 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 groupées, identifiées, nommées et classées 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 "bestiaire 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, identifiés comme des combinaisons de deux quarks, ou des baryons, combinaisons de trois quarks, plus une poignée d'autres particules. Ces particules, mésons et baryons, qui sont observées dans les accélérateurs de plus en plus puissants ne seraient 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, sont classées en six types différents, et il existe trois variétés dans chaque type (avec une "charge de couleur" : rouge, vert et bleu, prises en compte par la chromodynamique quantique, sans omettre le cas des anti-quarks, qui sont leurs antiparticules, et à qui on attribue une charge d'anti-couleur).
Il existe en outre 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 sont les trois autres leptons, et pour chaque neutrino il y a une particule correspondante dans l'autre jeu de trois leptons. Dans le modèle standard, il existe également des bosons : les photons, les bosons Z, W et W, les huit gluons et le boson de Higgs, plus potentiellement le graviton. Presque toutes ces particules viennent en versions « gauchère » ou « droitière » (voir chiralité). Les quarks, les leptons et les bosons W ont tous une antiparticule, avec une charge électrique opposée.
Le modèle standard comprend également un certain nombre de problèmes, qui n'ont pas été entièrement résolus. En particulier, aucune théorie réussie de la gravitation n'a encore été établie dans le cadre de la physique des particules. Bien que le modèle standard suppose l'existence d'un graviton, toutes les tentatives pour produire une théorie cohérente sur cette particule ont échoué. En outre, la masse reste un mystère dans le Modèle Standard. Kalman Kalman, C. S. (2005). Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 142: 235–237 rappelle que, selon le concept de l'atomisme, les éléments fondamentaux de la nature sont des "briques invisibles et indivisibles" de la matière, qui ne peuvent être produits, et sont indestructibles. Or les quarks ne sont pas indestructibles : certains peuvent se désintégrer (en d'autres quarks). On peut ainsi estimer que les quarks "devraient" être composés d'entités plus élémentaires, qu'on peut nommer "les préons". Bien que les masses de toutes les particules successivement découvertes suivent 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 toutefois des masses de presque tous les baryons, qui sont très bien décrits par le modèle de de Souzade Souza, M.E. (2010). "Calculation of almost all energy levels of baryons". Papers in Physics 3: 030003–1. doi:10.4279/PIP.030003. Le boson de Higgs peut expliquer comment les particules acquièrent une masse inertielle, mais il ne permet pas de préciser leurs masses au repos.
Le modèle standard pose également des problèmes pour la prédiction de la structure à grande échelle de l'univers. Il prévoit généralement par exemple des quantités égales de matière et d'antimatière dans l'univers, ce qui ne semble visiblement pas être 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'adoption du modèle de base suggère la possibilité de la désintégration du proton, or elle n'a pas été observée.
Le modèle de préon a ainsi attiré relativement peu d'intérêt à ce jour parmi la communauté de la physique des particules.
Motivation La recherche d'une théorie du préon est motivée par le souhait d'arriver, par exemple, à réduire le grand nombre de types de particules, dont certaines ne diffèrent que par la charge par exemple, à un petit nombre de particules qui seraient "plus élémentaires"
L'électron et le positron par exemple sont identiques, sauf pour la charge, et la recherche du préon est motivée en expliquant que les électrons et les positrons sont composés 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, afin : d'expliquer les trois générations de fermions ; de 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 réduire le nombre de paramètres d'entrée expérimentaux rendus nécessaires par le modèle standard ; de motiver les très grandes différences « énergie/masses » observées dans les particules supposées élémentaires comme l'électron, le neutrino et le quark top ; de 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 ; de tenir compte de l'oscillation de neutrinos et de leur masse ; de faire de nouvelles prédictions non triviales, comme de fournir des candidats possibles pour constituer la matière noire ; d'expliquer la raison pour laquelle il n'existe que la variété observée pour les 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 avec la supersymétrie).
Histoire Un certain nombre de physiciens ont tenté d'élaborer une théorie « pré-quarks » (d'où le nom de préon dérive) dans un effort pour justifier théoriquement les nombreuses parties du modèle standard qui ne sont connues que par des données expérimentales et ne sont pas expliquées.
Divers noms ont été envisagés pour désigner ces particules élémentaires (ou particules intermédiaires entre les particules fondamentales et celles observées dans le modèle standard) : « préquarks » (prequarks), « sous-quarks » (subquarks), « maons »., « alphons », « quinks », « rishons », « tweedles », « helons », « haplons », « Y-particules »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. et « primons »6. de Souza, M.E. (2005). "The Ultimate Division of Matter". Scientia Plena 1 (4): 83. ; c'est finalement l'appellation « préon » qui a obtenu l'adhésion de 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 et Abdus Salam dans Physical Review7. 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., suivie de trois publications en 1977 par Terazawa, Chikashige et Akama8. 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. et, de façon similaire mais indépendante en 1979, des articles écrits par Neeman9. 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., Harari10. 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. et Shupe11. 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., puis un article de 1981 par Fritzsch et Mandelbaum12. 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. et un livre édité en 1992 par de Souza et Kalman. Aucune de ces publications n'a acquis de soutien manifeste dans le monde de la physique. Cependant, dans un ouvrage récent 13. de Souza, M.E. (2008). "Weak decays of hadrons reveal compositeness of quarks". Scientia Plena 4 (6): 064801–1., de Souza a montré que son modèle décrit bien toutes les désintégrations faibles des hadrons selon les règles de sélection dictées 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 dérivée 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 baptisée « cosmon » et apparaissant comme le résultat final probable d'une longue chaîne, mais finie, de particules de plus en plus élémentaires14. Dehmelt, H.G. (1989). "Experiments with an Isolated Subatomic Particle at Rest". Nobel Lecture. The Nobel Foundation. Voir également les références y citées..
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 préon tentent d'expliquer le modèle standard, prédisant souvent de petites différences avec ce modèle et générant de nouvelles particules accompagnées de certains phénomènes qui n'appartiennent pas au modèle standard. Le modèle Rishon illustre certains efforts typiques dans le domaine.