前子

前子研究的动机是希望：

• 将大量的粒子（许多只是电荷不同）减少到更少的更基本的粒子。例如，除了电荷之外，电子和正电子是相同的。把电子和正电子解释为都是由相似的前子组成（区别在于所携带的电荷不同）刺激了前子的研究。目标是实现类似于元素周期表那样的简化。
• 解释三代费米子。
• 计算标准模型目前无法解释的参数，如粒子质量、电荷和色荷，并减少标准模型所需的实验输入参数数量。
• 提供基本粒子（从电子中微子到顶夸克）观察到的能量-质量差异非常大的原因。
• 在不引入希格斯场的情况下，为电弱对称性破缺提供另一种解释，希格斯场反过来可能需要超对称性来修正希格斯场所涉及的理论问题。而超对称性本身也有理论问题。
• 解释中微子振荡和质量。
• 做出新的非平凡的预测，比如冷暗物质候选者。
• 解释为什么只有可观测种类的粒子产生可观测粒子（因为预言不可观测粒子是重大的理论问题之一，例如超对称）。

在20世纪70年代标准模型被提出之前（标准模型中被称为夸克的关键元素是由默里·盖尔·曼和乔治·茨威格在1964年提出的），物理学家在粒子加速器中观察到数百种不同种类的粒子。根据这些粒子的物理性质，把它们分门别类归入一个很大的基于对称性的层级之中。这与根据动物的身体特征对它们进行分类的方法并没有完全不同。毫不奇怪，大量的粒子被称为“粒子动物园”。

标准模型现在是粒子物理学的主流模型，通过揭示大部分观察到的粒子是介子，即两个夸克的组合，或者重子，即三个夸克加上少数其他粒子的组合，极大地简化了这幅图。根据该理论，在越来越强大的加速器中看到的粒子通常只不过是这些夸克的组合。

2.1 夸克、轻子和玻色子的比较

在标准模型中，有几类粒子。其中一种是夸克，有六种类型，每种类型有三种变体（被称为“颜色”，红色、绿色和蓝色，产生了量子色动力学）。

此外，还有六种不同类型的轻子。在这六个轻子中，有三个带电粒子：电子、μ子和τ子。中微子包括另外三个轻子，每一个中微子都有一个来自另一组三个轻子的对应成员。

在标准模型中，也有玻色子，包括光子；W+、W-和Z玻色子；胶子和希格斯玻色子；还有引力子。几乎所有这些粒子都有“左手”和“右手”两种版本（见手性）。夸克、轻子和玻色子都有带相反电荷的反粒子。

2.2 标准模型的未解决问题

标准模型还有许多问题没有完全解决。特别是，还没有基于粒子理论的成功引力理论被提出。尽管该模型假设引力子的存在，但所有基于引力子产生与标准模型一致的理论的尝试都失败了。

卡尔曼^[3]观察到，根据原子论的概念，自然界的基本组成部分是不可分割的物质，它们是不可再生的、不可摧毁的。夸克并不是真正坚不可摧的，因为有些夸克可以衰变为其他夸克。因此，从根本上说，夸克本身不是基本的构造模块，而是必须由其他基本量——前子——组成的。虽然每一个连续粒子的质量都遵循一定的模式，但是除了最近德索萨模型很好地描述了几乎所有重子的质量之外，大多数粒子的静止质量都无法被精确地预测。^[4]

标准模型也有预测宇宙大尺度结构的问题。例如，宇宙模型通常预测宇宙中等量的物质和反物质。人们已经多次尝试通过各种机制来“解决”这一问题，但迄今为止，没有一次获得过广泛支持。同样，该模型的基本适应性表明质子衰变的存在，这一点尚未观察到。

2.3 preon模型的动机

通过寻找标准模型中存在的大量任意常数的更基本的答案，前子理论希望复制周期表的成就，周期表将元素简化为三个组成单元，后来的标准模型驯服了“粒子动物园”。

为了对实验和理论粒子物理学中的结果提供更基本的解释，已经提出了几个模型，使用诸如“部分子”或“前子”之类的名字作为它们的基本粒子。到目前为止，下面讨论的专门的前子模型在粒子物理界还没有引起多少兴趣，部分原因是迄今为止在对撞机实验中还没有证据表明标准模型的费米子是复合的。

2.4 尝试

许多物理学家试图发展一种“前夸克”的理论（前子的名字来源于此），试图从理论上证明只有通过实验数据才能知道的标准模型的许多部分。这些被提出的基本粒子（或介于最基本粒子和标准模型中观察到的粒子之间的粒子）的其他名称包括前夸克、亚夸克、maons、alphons、quinks、rishons、tweedles、helons、haplons、Y粒子和原始子（primons）。^[5]前子是物理学界的领军人物。

开发子结构的努力至少可以追溯到1974年帕蒂和萨拉姆在《物理评论》上发表的一篇论文。^[6]其他尝试包括1977年Terazawa、Chikashige和Akama的论文^[7]，类似但独立的是1979年Ne'eman^[8]、Harari^[9]和Shupe^[10]的论文，1981年Fritzsch和Mandelbaum的论文，^[11]以及1992年D'Souza和Kalman的书。^[12]这些都没有在物理学领域获得广泛的认可。然而，在最近的一项工作中，^[12]德索萨已经表明，他的模型很好地描述了强子的所有弱衰变，这是根据从他的复合模型中导出的量子数所规定的选择规则。在他的模型中，轻子是基本粒子，每个夸克由两个原始子组成，因此，所有夸克都由四个原始子描述。所以，不需要标准模型希格斯玻色子，每个夸克质量都是通过三个类希格斯玻色子从每对原始子之间的相互作用中得到的。

汉斯·德梅尔在他1989年的诺贝尔奖获奖演讲中描述了一个最基本的基本粒子，具有可定义的性质，他称之为宇宙子，这可能是一个由越来越多的基本粒子组成的长而有限的链的最终结果。^[13]

2.5 复合希格斯粒子

许多前子模型要么不考虑希格斯玻色子，要么将其排除在外，并提出电弱对称性不是被标量希格斯场打破，而是被复合前子打破的。^[14]例如，弗雷德里克森前子理论不需要希格斯玻色子，并把电弱破缺解释为前子的重排，而不是希格斯介导的场。事实上，弗雷德里克森前子模型和德索萨模型预测标准模型希格斯玻色子不存在。

里雄模型是最早开发一个前子模型来解释粒子物理标准模型中出现的现象。它最初是由海姆·哈拉里（Haim Harari）和迈克尔·舒普（Michael A. Shupe）开发的（彼此独立），后来由哈拉里和他当时的学生内森·赛伯格（Nathan Seiberg）扩展。^[15]

该模型有两种基本粒子，称为里雄粒子（希伯来语中意思是“初级粒子”）。它们是t（“第三个”，因为它带有⅓ e的电荷，或者是Tohu，意思是“未成形”）和v（“消失”，因为它是电中性的，或者Vohu，意思是“无效”）。所有轻子和所有味道的夸克都是三个里雄粒子组成的。这三个粒子的组合有1/2的自旋。

里雄模型说明了该领域的一些典型努力。许多前子模型理论认为宇宙中物质和反物质的明显不平衡事实上是虚幻的，大量前子级反物质被限制在更复杂的结构中。

4.1 质量悖论

大约在1994年，一个前子模型开始作为一篇在费米实验室对撞机探测器的内部论文。这篇论文是在1992-1993年的运行期内发现了能量超过200 GeV的出乎意料和无法解释的过量喷射之后写的。然而，散射实验表明，夸克和轻子在小于10-18米（或质子直径的1/1000）的距离尺度下是“点状的”。限制在这种大小盒子里的（无论质量如何）前子的动量不确定性约为200 GeV/c，比上夸克的静止质量大50，000倍，比电子的静止质量大400，000倍。

海森堡的测不准原理指出    ，因此，任何限制在小于    的盒子中的东西，其动量不确定性都会成比例地增大。所以，前子模型提出的粒子比它们组成的基本粒子小，因为前子的动量不确定性    应该比粒子的要大。

因此，前子模型代表了一个质量悖论：夸克或电子是如何由更小的粒子组成的，这些粒子的巨大动量会产生更多数量级的质量能量？这一悖论通过假设前子之间有一个大的结合力来消除它们的质量-能量来解决。

4.2 与观察到的物理冲突

前子模型提出了额外的未观察到的力或动力学来解释基本粒子的观察到的性质，这可能与观察到的相冲突。例如，现在LHC对希格斯玻色子的观测得到证实，这一观测与许多不包括它的前子模型的预测相矛盾。

Preon理论要求夸克和轻子应该有一个前子理论要求夸克和轻子应该有一个有限的尺寸。当被提升到更高的能量时，大型强子对撞机可能会观察到这一点。

• 在1948年重印/编辑他1930年的小说《云雀三号》时，E. E .史密斯假设了一系列“第一类和第二类子电子”，后者是与引力有关的基本粒子。虽然这可能不是原始小说的一个元素（该系列其他一些小说的科学基础由于另外十八年的科学发展而被广泛修订），但是它实际上是第一个或第一个提到电子可能不是基本粒子的出版物。
• 在冯达·麦金太尔（Vonda McIntyre）创作的1982年电影《星际迷航2：可汗之怒》的中篇小说版中，卡罗尔·马库斯博士的创世纪项目团队中的两个人，万斯·麦迪逊和德尔温·马奇（Vance Madison）研究了他们称之为“boojums”和“snarks”的亚基本粒子，他们开玩笑称这个领域为“幼儿园物理学”，因为它低于“小学物理”（与学校水平的类比）。
• 詹姆斯·霍根1982年的小说《昨日之旅》讨论了前子（称为特威德斯），其中的物理学成为情节的核心。