Grand Unified Theory (GUT, GUT ali GUT - v članku bodo uporabljene vse tri okrajšave) je model v fiziki delcev, v katerem pri visoki energiji tri merilne interakcije standardnega modela, ki določajo elektromagnetno, šibke in močne interakcije ali sile se združijo v eno samo silo. Za to kombinirano interakcijo je značilna ena simetrija večjega merila in zato več nosilnih sil, vendar ena trajna vez. Če se v naravi zgodi veliko združitev, obstaja možnost velikega združevanja v zgodnjem vesolju, v katerem temeljne sile še niso drugačne.
Grand Unified Theory na kratko
Modeli, ki ne poenotijo vseh interakcij z uporabo ene preproste skupine kot merilne simetrije, to počnejo z uporabo polpreprostih skupin, lahko kažejo podobne lastnosti in se včasih imenujejo tudi teorije velike združitve.
Združevanje gravitacije z ostalimi tremi silami bi zagotovilo teorijo vsega (OO) in ne GUT. Vendar se GUT pogosto obravnava kot vmesni korak k OO. Vse to so značilne ideje za velike teorije združitve in nadzdružitve.
Novi delci, ki jih predvidevajo modeli GUT, naj bi imeli mase okoli GUT lestvice – le nekaj redov velikosti pod Planckovo lestvico – in zato nedosegljivi za kakršne koli predlagane poskuse trkalnika delcev. Zato delcev, ki jih predvidevajo modeli GUT, ni mogoče opazovati neposredno, namesto tega pa je mogoče zaznati učinke velikega združevanja s posrednimi opazovanji, kot so protonski razpad, električni dipolni momenti elementarnih delcev ali lastnosti nevtrinov. Nekateri GUT-ji, kot je model Pati Salam, napovedujejo obstoj magnetnih monopolov.
Značilnosti modelov
GUT modeli, katerih cilj je biti popolnoma realističen, so tudi v primerjavi s standardnim modelom precej zapleteni, saj morajo vnesti dodatna polja in interakcije ali celo dodatne dimenzije prostora. Glavni razlog za to zapletenost je v težavah pri reprodukciji opazovanih fermionskih mas in mešalnih kotov, kar je lahko posledica obstoja nekaterih dodatnih družinskih simetrij zunaj tradicionalnih modelov GUT. Zaradi te težave in odsotnosti opaznega učinka velike združitve še vedno ni splošno sprejetega modela GUT.
V preteklosti najprejpravi GUT, ki temelji na Leejevi preprosti skupini SU, sta leta 1974 predlagala Howard George in Sheldon Glashow. Pred modelom Georgi-Glashow je bil polpreprost model Liejeve algebre Pati-Salam, ki sta ga predlagala Abdus Salam in Jogesh Pati, ki sta prva predlagala poenotene interakcije merilnikov.
zgodovina imen
Okrajšavo GUT (GUT) so leta 1978 prvič skovali raziskovalci CERN-a John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard in Dmitry Nanopoulos, vendar so v končni različici svojega članka izbrali GUM (velika združitvena masa). Kasneje istega leta je bil Nanopoulos prvi, ki je v članku uporabil akronim. Skratka, veliko dela je bilo opravljenega na poti do Velike enotne teorije.
Splošnost konceptov
Okrajšava SU se uporablja za sklicevanje na teorije velikega združevanja, ki se bodo v tem članku pogosto omenjale. Dejstvo, da se zdi, da se električni naboji elektronov in protonov med seboj izničujejo z izjemno natančnostjo, je bistveno za makroskopski svet, kot ga poznamo, vendar ta pomembna lastnost elementarnih delcev ni razložena v standardnem modelu fizike delcev. Medtem ko opis močnih in šibkih interakcij v standardnem modelu temelji na merilnih simetrijah, ki jih urejata preprosti skupini simetrije SU(3) in SU(2), ki dovoljujeta samo diskretne naboje, je preostala komponenta, šibka interakcija hipernaboja, opisana z abelov U(1), ki načeloma omogočasamovoljna porazdelitev stroškov.
Opazili kvantizacijo naboja, in sicer dejstvo, da vsi znani elementarni delci nosijo električne naboje, ki se zdijo natančni večkratniki ⅓ osnovnega naboja, je privedlo do ideje, da bi lahko zgradili interakcije hipernaboja ter morda močne in šibke interakcije v eno veliko poenoteno interakcijo, ki jo opisuje ena večja enostavna simetrična skupina, ki vsebuje standardni model. To bo samodejno predvidelo kvantizirano naravo in vrednosti vseh nabojev osnovnih delcev. Ker vodi tudi do napovedovanja relativne moči osnovnih interakcij, ki jih opazimo, zlasti šibkega mešalnega kota, Grand Unification idealno zmanjša število neodvisnih vhodov, vendar je omejena tudi na opazovanja. Naj se zdi teorija velikega poenotenja univerzalna, knjige o njej niso zelo priljubljene.
Georgie-Glasgow Theory (SU (5))
Veliko združitev spominja na združitev električnih in magnetnih sil v Maxwellovi teoriji elektromagnetizma v 19. stoletju, vendar sta njen fizični pomen in matematična struktura kvalitativno drugačna.
Vendar ni očitno, da je najenostavnejša možna izbira za razširjeno veliko poenoteno simetrijo ustvariti pravilen nabor elementarnih delcev. Dejstvo, da se vsi trenutno znani delci snovi dobro ujemajo s tremi najmanjšimi predstavitvenimi teorijami skupine SU(5) in takoj nosijo pravilne opazne naboje, je eden od prvih innajpomembnejši razlogi, zakaj ljudje verjamejo, da je teorijo velikega združenja dejansko mogoče uresničiti v naravi.
Dve najmanjši nereducibilni predstavitvi SU(5) sta 5 in 10. V standardnem zapisu 5 vsebuje konjugate naboja desnega barvnega trojčka navzdol in levega izospin dvojnika, medtem ko 10 vsebuje šest komponent kvarka gornjega tipa, obarva triplet levičarskega kvarka navzdol in desnega elektrona. To shemo je treba reproducirati za vsako od treh znanih generacij snovi. Omeniti velja, da teorija ne vsebuje anomalij s to vsebino.
Hipotetični desni nevtrini so SU(5) singlet, kar pomeni, da njegove mase ne prepoveduje nobena simetrija; ni mu treba spontano prekiniti simetrije, kar pojasnjuje, zakaj bo njegova masa velika.
Tu je poenotenje materije še bolj popolno, saj nereducibilna spinorska predstavitev 16 vsebuje tako 5 kot 10 SU(5) in desnih nevtrinov in s tem celotno vsebnost delcev ene generacije razširjeni standardni model z masami nevtrinov. To je že največja preprosta skupina, ki doseže poenotenje materije v shemi, ki vključuje samo že znane delce snovi (razen Higgsovega sektorja).
Ker so različni fermioni standardnega modela združeni v večje predstavitve, GUT-ji posebej napovedujejo razmerja med masami fermionov, na primer med elektronom indown kvark, mion in čuden kvark ter tau lepton in down kvark za SU(5). Nekatera od teh masnih razmerij so približna, večina pa ne.
SO(10) teorija
Bozonsko matriko za SO(10) najdemo tako, da vzamemo 15×15 matriko 10 + 5 predstavitve SU(5) in dodamo dodatno vrstico in stolpec za desni nevtrino. Bozone je mogoče najti tako, da vsakemu od 20 nabitih bozonov (2 desna W bozona, 6 masivnih nabitih gluonov in 12 bozonov tipa X/Y) dodate partnerja in dodate dodaten težki nevtralni Z bozon, da ustvarite 5 nevtralnih bozonov. Bozonska matrika bo imela bozon ali svojega novega partnerja v vsaki vrstici in stolpcu. Ti pari se združijo, da ustvarijo znane 16D Diracove vrtilne matrike SO(10).
Standardni model
Nehiralne razširitve standardnega modela z vektorskimi spektri razdeljenih multipletnih delcev, ki se naravno pojavljajo v višjih SU(N) GUT-ih, bistveno spremenijo puščavsko fiziko in vodijo do realistične (vrstične) velike združitve za običajne tri kvark-leptone družine tudi brez uporabe supersimetrije (glej spodaj). Po drugi strani pa je zaradi pojava novega manjkajočega mehanizma VEV, ki se pojavlja v supersimetričnem SU(8) GUT, mogoče najti hkratno rešitev problema hierarhije merilnika (dvojno-trojno razdelitev) in problema poenotenja okusa.
Druge teorije in elementarni delci
GUT s štirimi družinami/generacijami, SU(8): ob predpostavki, da 4 generacije fermionov namesto 3 ustvarijo skupno 64 tipov delcev. Lahko jih postavimo v 64=8 + 56 SU(8) predstavitev. To lahko razdelimo na SU(5) × SU(3) F × U(1), kar je teorija SU(5), skupaj z nekaterimi težkimi bozoni, ki vplivajo na število generacije.
GUT s štirimi družinami/generacijami, O(16): Ponovno, ob predpostavki, da se 4 generacije fermionov, 128 delcev in antidelcev lahko prilegajo eni O(16) spinorni predstavitvi. Vse te stvari so bile odkrite na poti k teoriji velike enotnosti.
