Grand Unified Theory (GUT, GUT sau GUT - toate cele trei abrevieri vor fi folosite în articol) este un model în fizica particulelor în care, la energie mare, interacțiunile cu trei gauge ale modelului standard care determină electromagnetică, interacțiunile sau forțele slabe și puternice sunt combinate într-o singură forță. Această interacțiune combinată este caracterizată printr-o simetrie de ecartament mai mare și, prin urmare, mai multe forțe purtătoare, dar o legătură permanentă. Dacă are loc o mare unificare în natură, există posibilitatea unei ere mari de unificare în universul timpuriu în care forțele fundamentale nu sunt încă diferite.
Grand Unified Theory pe scurt
Modelele care nu unifică toate interacțiunile folosind un singur grup simplu ca simetrie de măsurare, fac acest lucru folosind grupuri semi-simple, pot prezenta proprietăți similare și sunt uneori numite și teorii de mare unificare.
Combinarea gravitației cu celel alte trei forțe ar oferi o teorie a tuturor lucrurilor (OO) mai degrabă decât un GUT. Cu toate acestea, GUT este adesea văzut ca un pas intermediar către OO. Toate acestea sunt idei caracteristice pentru marile teorii ale unificării și supraunificării.
Noile particule prezise de modelele GUT sunt de așteptat să aibă mase în jurul scalei GUT - doar câteva ordine de mărime sub scara Planck - și, prin urmare, să nu fie la îndemâna oricăror experimente propuse de coliziune de particule. Prin urmare, particulele prezise de modelele GUT nu pot fi observate direct și, în schimb, efectele de mare unificare pot fi detectate prin observații indirecte, cum ar fi dezintegrarea protonilor, momentele dipolului electric al particulelor elementare sau proprietățile neutrinului. Unele GUT, cum ar fi modelul Pati Salam, prezic existența monopolurilor magnetice.
Caracteristicile modelelor
Modelele GUT, care își propun să fie complet realiste, sunt destul de complexe, chiar și în comparație cu modelul standard, deoarece trebuie să introducă câmpuri și interacțiuni suplimentare, sau chiar dimensiuni suplimentare de spațiu. Motivul principal pentru această complexitate constă în dificultatea de a reproduce masele de fermioni observate și unghiurile de amestecare, care se poate datora existenței unor simetrii de familie suplimentare în afara modelelor tradiționale GUT. Din cauza acestei dificultăți și a absenței oricărui efect de mare unificare observabil, nu există încă un model GUT general acceptat.
În primul rând istoricun adevărat GUT bazat pe grupul SU simplu al lui Lee a fost propus de Howard George și Sheldon Glashow în 1974. Modelul Georgi-Glashow a fost precedat de modelul semisimplu algebră Lie Pati-Salam propus de Abdus Salam și Jogesh Pati, care au propus pentru prima dată interacțiuni unificatoare ale gabaritului.
Istoricul numelor
Abrevierea GUT (GUT) a fost inventată pentru prima dată în 1978 de către cercetătorii CERN John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard și Dmitry Nanopoulos, dar în versiunea finală a articolului lor au ales GUM (marea unificare). Nanopoulos mai târziu în acel an a fost primul care a folosit acronimul într-un articol. Pe scurt, s-a făcut multă muncă în drumul către Marea Teorie Unificată.
Conceptele comune
Abrevierea SU este folosită pentru a se referi la teoriile marii unificări, la care se va face referire frecvent în acest articol. Faptul că sarcinile electrice ale electronilor și protonilor par să se anuleze reciproc cu o precizie extremă este esențial pentru lumea macroscopică așa cum o știm, dar această proprietate importantă a particulelor elementare nu este explicată în modelul standard al fizicii particulelor. În timp ce descrierea interacțiunilor puternice și slabe din modelul standard se bazează pe simetrii de gabarit guvernate de grupuri simple de simetrie SU(3) și SU(2) care permit doar sarcini discrete, componenta rămasă, interacțiunea hipersarcină slabă, este descrisă de abelianul U(1), care în principiu permitedistribuirea arbitrară a taxelor.
Cuantizarea sarcinii observate, și anume faptul că toate particulele elementare cunoscute poartă sarcini electrice care par a fi multipli exacti ai ⅓ din sarcina elementară, a condus la ideea că ar putea fi construite interacțiuni de hipersarcină și, eventual, interacțiuni puternice și slabe. într-o interacțiune mare unificată descrisă de un grup de simetrie simplă mai mare care conține modelul standard. Acest lucru va prezice automat natura cuantificată și valorile tuturor sarcinilor particulelor elementare. Deoarece conduce, de asemenea, la o predicție a forțelor relative ale interacțiunilor subiacente pe care le observăm, în special unghiul slab de amestecare, Grand Unification reduce în mod ideal numărul de intrări independente, dar se limitează și la observații. Oricât de universală ar părea teoria marelui unificat, cărțile despre ea nu sunt foarte populare.
Teoria George-Glasgow (SU (5))
Marea unificare amintește de unificarea forțelor electrice și magnetice din teoria electromagnetismului a lui Maxwell în secolul al XIX-lea, dar semnificația sa fizică și structura matematică sunt calitativ diferite.
Totuși, nu este evident că cea mai simplă alegere posibilă pentru simetria mare unificată extinsă este să producă setul corect de particule elementare. Faptul că toate particulele de materie cunoscute în prezent se potrivesc bine în cele mai mici trei teorii de reprezentare a grupurilor SU(5) și poartă imediat sarcinile observabile corecte este una dintre primele șicele mai importante motive pentru care oamenii cred că marea teorie unificată poate fi de fapt realizată în natură.
Cele mai mici două reprezentări ireductibile ale SU(5) sunt 5 și 10. În notația standard, 5 conține conjugatele de sarcină ale unui triplet de culoare de tip în jos dreapta și a unui dublu izospin stânga-stânga, în timp ce 10 conține șase componente ale unui cuarc de tip sus, colorează un triplet al unui cuarc de tip jos stâng și un electron drept. Această schemă trebuie reprodusă pentru fiecare dintre cele trei generații cunoscute de materie. Este de remarcat faptul că teoria nu conține anomalii cu acest conținut.
Neutrinii dreptaci ipotetici sunt un singlet SU(5), ceea ce înseamnă că masa sa nu este interzisă de nicio simetrie; nu trebuie să rupă spontan simetria, ceea ce explică de ce masa sa va fi mare.
Aici, unificarea materiei este și mai completă, deoarece reprezentarea ireductibilă a spinorului 16 conține atât 5, cât și 10 din SU(5) și neutrini dreptaci și, prin urmare, conținutul total de particule dintr-o generație de model standard extins cu mase de neutrini. Acesta este deja cel mai mare grup simplu care realizează unificarea materiei într-o schemă care include doar particule deja cunoscute de materie (cu excepția sectorului Higgs).
Deoarece diferiții model de fermioni standard sunt grupați în reprezentări mai mari, GUT-urile prezic în mod specific relațiile dintre masele fermionilor, cum ar fi între un electron șiquarcul down, muonul și quarcul ciudat și leptonul tau și quarcul down pentru SU(5). Unele dintre aceste rapoarte de masă sunt aproximative, dar majoritatea nu.
Teoria SO(10)
Matricea bosonică pentru SO(10) se găsește luând o matrice 15×15 de reprezentare 10 + 5 a SU(5) și adăugând un rând și o coloană suplimentară pentru neutrinul drept. Bosonii pot fi găsiți prin adăugarea unui partener la fiecare dintre cei 20 de bosoni încărcați (2 bosoni W drepti, 6 gluoni încărcați masiv și 12 bosoni de tip X/Y) și adăugarea unui boson Z neutru extra greu pentru a face 5 bosoni neutri. Matricea bosonică va avea un boson sau noul său partener în fiecare rând și coloană. Aceste perechi se combină pentru a crea matricele de spin Dirac familiare 16D SO(10).
Model standard
Extensiile nonchirale ale modelului standard cu spectre vectoriale ale particulelor multiplete divizate care apar în mod natural în GUT-uri SU(N) superioare modifică semnificativ fizica deșertului și duc la o mare unificare realistă (la scară de rând) pentru cei trei quarci-leptoni obișnuiți familii chiar fără a folosi supersimetria (vezi mai jos). Pe de altă parte, datorită apariției unui nou mecanism VEV lipsă care a apărut în GUT-ul SU(8) supersimetric, se poate găsi o soluție simultană la problema ierarhiei gauge (divizare dublu-triplet) și problema unificării aromelor.
Alte teorii și particule elementare
GUT cu patru familii/generații, SU(8): presupunând 4 generații de fermioni în loc de 3 generează un total de 64 de tipuri de particule. Ele pot fi plasate în 64=8 + 56 reprezentări SU(8). Aceasta poate fi împărțită în SU(5) × SU(3) F × U(1), care este teoria SU(5), împreună cu câțiva bosoni grei care afectează numărul generației.
GUT cu patru familii/generații, O(16): Din nou, presupunând 4 generații de fermioni, 128 de particule și antiparticule se pot încadra într-o singură reprezentare spinor O(16). Toate aceste lucruri au fost descoperite în drumul către teoria mare unificată.
