Grand Unified Theory (GUT, GUT lub GUT - wszystkie trzy skróty zostaną użyte w artykule) to model w fizyce cząstek, słabe i silne oddziaływania lub siły są łączone w jedną siłę. Ta połączona interakcja charakteryzuje się jedną symetrią większej grubości, a zatem kilkoma siłami nośnymi, ale jednym trwałym wiązaniem. Jeśli w naturze zachodzi wielka unifikacja, istnieje możliwość wielkiej ery unifikacji we wczesnym wszechświecie, w której podstawowe siły jeszcze się nie różnią.
Wielka zunifikowana teoria w skrócie
Modele, które nie ujednolicają wszystkich interakcji przy użyciu jednej prostej grupy jako symetrii cechowania, robią to przy użyciu grup półprostych, mogą wykazywać podobne właściwości i są czasami nazywane teoriami wielkiej unifikacji.
Połączenie grawitacji z pozostałymi trzema siłami dałoby raczej teorię wszystkiego (OO), a nie GUT. Jednak PG jest często postrzegana jako pośredni krok w kierunku OO. To wszystko są charakterystyczne idee dla wielkich teorii unifikacji i superunifikacji.
Oczekuje się, że nowe cząstki przewidywane przez modele GUT będą miały masy zbliżone do skali GUT - zaledwie kilka rzędów wielkości poniżej skali Plancka - i dlatego będą poza zasięgiem jakichkolwiek proponowanych eksperymentów ze zderzaczami cząstek. Dlatego cząstki przewidywane przez modele GUT nie mogą być obserwowane bezpośrednio, a zamiast tego efekty wielkiej unifikacji można wykryć poprzez pośrednie obserwacje, takie jak rozpad protonów, elektryczne momenty dipolowe cząstek elementarnych lub właściwości neutrin. Niektóre GUT, takie jak model Pati Salam, przewidują istnienie monopoli magnetycznych.
Charakterystyka modeli
Modele GUT, które mają być całkowicie realistyczne, są dość złożone, nawet w porównaniu ze standardowym modelem, ponieważ muszą wprowadzać dodatkowe pola i interakcje, a nawet dodatkowe wymiary przestrzeni. Główną przyczyną tej złożoności jest trudność w odtworzeniu obserwowanych mas fermionów i kątów mieszania, co może wynikać z istnienia pewnych dodatkowych symetrii rodzinnych poza tradycyjnymi modelami GUT. Z powodu tej trudności i braku obserwowalnego efektu wielkiej unifikacji, nadal nie ma ogólnie przyjętego modelu PG.
Najpierw historyczniew 1974 Howard George i Sheldon Glashow zaproponowali prawdziwe PG oparte na prostej grupie SU Lee. Model Georgi-Glashowa poprzedził półprosty model algebry Liego Pati-Salama zaproponowany przez Abdusa Salama i Jogesha Patiego, którzy jako pierwsi zaproponowali ujednolicające interakcje z cechami.
Historia nazw
Skrót GUT (GUT) został po raz pierwszy ukuty w 1978 roku przez badaczy CERN: Johna Ellisa, Andrzeja Burasa, Mary C. Gayarda i Dmitrija Nanopoulosa, ale w końcowej wersji ich artykułu wybrali GUM (wielka masa unifikacyjna). Nanopoulos później w tym samym roku jako pierwszy użył tego akronimu w artykule. Krótko mówiąc, wykonano wiele pracy na drodze do Wielkiej Teorii Zunifikowanej.
Wspólność pojęć
Skrót SU jest używany w odniesieniu do teorii wielkiej unifikacji, do których będzie się często odwoływać w tym artykule. Fakt, że ładunki elektryczne elektronów i protonów znoszą się z niezwykłą precyzją, ma zasadnicze znaczenie dla znanego nam makroskopowego świata, ale ta ważna właściwość cząstek elementarnych nie jest wyjaśniona w standardowym modelu fizyki cząstek elementarnych. Podczas gdy opis oddziaływań silnych i słabych w Modelu Standardowym oparty jest na symetriach cechowania zarządzanych przez proste grupy symetrii SU(3) i SU(2), które dopuszczają tylko dyskretne ładunki, pozostały składnik, oddziaływanie słabego hiperładunku, jest opisany przez abelowa U(1), która w zasadzie pozwala:arbitralny rozkład opłat.
Zaobserwowana kwantyzacja ładunku, a mianowicie fakt, że wszystkie znane cząstki elementarne niosą ładunki elektryczne, które wydają się być dokładnymi wielokrotnościami ⅓ ładunku elementarnego, doprowadziły do pomysłu, że można zbudować interakcje hiperładunkowe oraz prawdopodobnie oddziaływania silne i słabe w jedną wielką zunifikowaną interakcję opisaną przez jedną większą prostą grupę symetrii zawierającą model standardowy. To automatycznie przewidzi skwantowany charakter i wartości wszystkich ładunków cząstek elementarnych. Ponieważ prowadzi to również do przewidywania względnych sił podstawowych interakcji, które obserwujemy, w szczególności słabego kąta mieszania, Wielka Unifikacja idealnie zmniejsza liczbę niezależnych danych wejściowych, ale ogranicza się również do obserwacji. Choć teoria wielkiej unifikacji może się wydawać uniwersalna, książki na jej temat nie są zbyt popularne.
Teoria Georgie-Glasgow (SU (5))
Wielka unifikacja przypomina unifikację sił elektrycznych i magnetycznych w teorii elektromagnetyzmu Maxwella w XIX wieku, ale jej znaczenie fizyczne i struktura matematyczna są jakościowo różne.
Jednak nie jest oczywiste, że najprostszym możliwym wyborem dla rozszerzonej wielkiej zunifikowanej symetrii jest wytworzenie prawidłowego zestawu cząstek elementarnych. Fakt, że wszystkie obecnie znane cząstki materii dobrze pasują do trzech najmniejszych teorii reprezentacji grup SU(5) i natychmiast niosą prawidłowe obserwowalne ładunki, jest jednym z pierwszych inajważniejsze powody, dla których ludzie wierzą, że wielka zunifikowana teoria może faktycznie zostać zrealizowana w naturze.
Dwie najmniejsze nieredukowalne reprezentacje SU(5) to 5 i 10. W standardowym zapisie, 5 zawiera sprzężone ładunki prawoskrętnej trójki koloru w dół i lewostronnego dubletu izospinowego, podczas gdy 10 zawiera sześć składników kwarku typu górnego, pokoloruj trójkę lewoskrętnego kwarku typu dolnego i prawoskrętnego elektronu. Schemat ten należy odtworzyć dla każdego z trzech znanych pokoleń materii. Warto zauważyć, że teoria nie zawiera anomalii w tej treści.
Hipotetyczne prawoskrętne neutrina to singlet SU(5), co oznacza, że jego masa nie jest zakazana przez żadną symetrię; nie musi spontanicznie łamać symetrii, co wyjaśnia, dlaczego jego masa będzie duża.
Tu unifikacja materii jest jeszcze pełniejsza, ponieważ nieredukowalna reprezentacja spinorowa 16 zawiera zarówno 5, jak i 10 SU(5) i prawoskrętnych neutrin, a więc całkowitą zawartość cząstek jednej generacji rozszerzony model standardowy z masami neutrinowymi. Jest to już największa prosta grupa, która osiąga unifikację materii w schemacie, który obejmuje tylko znane już cząstki materii (z wyjątkiem sektora Higgsa).
Ponieważ różne modele standardowe fermiony są pogrupowane w większe reprezentacje, GUT w szczególności przewidują relacje między masami fermionów, na przykład między elektronem akwark dolny, mion i kwark dziwny oraz lepton tau i kwark dolny dla SU(5). Niektóre z tych stosunków masy są przybliżone, ale większość nie.
Teoria SO(10)
Macierz bozonowa dla SO(10) jest znajdowana przez wzięcie macierzy 15×15 z reprezentacji 10 + 5 SU(5) i dodanie dodatkowego wiersza i kolumny dla prawego neutrina. Bozony można znaleźć, dodając partnera do każdego z 20 naładowanych bozonów (2 prawe bozony W, 6 masywnie naładowanych gluonów i 12 bozonów typu X/Y) oraz dodając dodatkowy ciężki neutralny bozon Z, aby uzyskać 5 neutralnych bozonów. Macierz bozonowa będzie miała bozon lub jego nowego partnera w każdym rzędzie i kolumnie. Te pary łączą się, tworząc znajome macierze spinowe 16D Diraca SO(10).
Model standardowy
Niechiralne rozszerzenia Modelu Standardowego z widmami wektorowymi podzielonych cząstek multipletów, które naturalnie pojawiają się w wyższych SU(N) GUT, znacząco zmieniają fizykę pustyni i prowadzą do realistycznej (w skali rzędów) wielkiej unifikacji dla zwykłych trzech kwarków-leptonów rodziny nawet bez użycia supersymetrii (patrz poniżej). Z drugiej strony, w związku z pojawieniem się nowego brakującego mechanizmu VEV w supersymetrycznym SU(8) GUT, można znaleźć jednoczesne rozwiązanie problemu hierarchii mierników (rozszczepienie dubletów i trypletów) i problemu ujednolicenia smaku.
Inne teorie i cząstki elementarne
GUT z czterema rodzinami/pokoleniami, SU(8): zakładając, że 4 generacje fermionów zamiast 3 wygenerują w sumie 64 typy cząstek. Mogą być umieszczone w 64=8 + 56 reprezentacjach SU(8). Można to podzielić na SU(5) × SU(3) F × U(1), która jest teorią SU(5), wraz z kilkoma ciężkimi bozonami, które wpływają na liczbę generacji.
GUT z czterema rodzinami/pokoleniami, O(16): Ponownie, zakładając 4 generacje fermionów, 128 cząstek i antycząstek może zmieścić się w jednej reprezentacji spinorowej O(16). Wszystkie te rzeczy zostały odkryte na drodze do wielkiej zunifikowanej teorii.
