A Grand Unified Theory (GUT, GUT vagy GUT – a cikkben mindhárom rövidítést használjuk) egy olyan részecskefizikai modell, amelyben nagy energián a szabványos modell három mérőműszeres kölcsönhatása határozza meg az elektromágneses., a gyenge és erős kölcsönhatások vagy erők egyetlen erővé egyesülnek. Ezt a kombinált kölcsönhatást egy nagyobb méretű szimmetria jellemzi, és ezért több hordozóerő, de egy állandó kötés. Ha nagy egyesülés történik a természetben, akkor a korai univerzumban fennáll a nagy egyesülési korszak lehetősége, amelyben az alapvető erők még nem különböznek egymástól.
A nagy egységes elmélet röviden
Azok a modellek, amelyek nem egyesítenek minden interakciót egyetlen egyszerű csoporttal mérőszimmetriaként, hanem félig egyszerű csoportokat használnak, hasonló tulajdonságokat mutathatnak, és néha nagy egyesülési elméleteknek is nevezik őket.
A gravitációt a másik három erővel kombinálva a GUT helyett a mindenre vonatkozó elmélet (OO) jönne létre. A GUT-t azonban gyakran az OO felé vezető köztes lépésnek tekintik. Ezek mind jellemző ötletei az egyesülés és a felülegyesítés nagy elméleteinek.
A GUT-modellek által megjósolt új részecskék tömege várhatóan a GUT-skála körüli lesz – mindössze néhány nagyságrenddel a Planck-skála alatt –, ezért nem érhető el semmilyen javasolt részecskeütköztető-kísérlet. Ezért a GUT-modellek által megjósolt részecskéket nem lehet közvetlenül megfigyelni, ehelyett a nagy egyesülési hatások olyan közvetett megfigyeléseken keresztül mutathatók ki, mint a protonbomlás, az elemi részecskék elektromos dipólusmomentumai vagy a neutrínó tulajdonságai. Egyes GUT-ok, például a Pati Salam-modell, előrejelzik a mágneses monopólusok létezését.
A modellek jellemzői
A teljesen valósághűre törekvő GUT modellek még a standard modellhez képest is meglehetősen összetettek, mert további mezőket és interakciókat, vagy akár további térdimenziókat kell bevezetniük. Ennek a bonyolultságnak a fő oka a megfigyelt fermiontömegek és keverési szögek reprodukálásának nehézségében rejlik, ami a hagyományos GUT modelleken kívüli további családi szimmetriáknak köszönhető. E nehézség és a megfigyelhető nagy egyesítő hatás hiánya miatt még mindig nincs általánosan elfogadott GUT-modell.
Történelmileg előszöregy igazi GUT-t, amely Lee egyszerű SU-csoportján alapul, Howard George és Sheldon Glashow javasolta 1974-ben. A Georgi-Glashow modellt a félig egyszerű Lie algebra Pati-Salam modell előzte meg, amelyet Abdus Salam és Jogesh Pati javasolt, aki először javasolta az egyesítő mérőműszer-kölcsönhatásokat.
Névelőzmények
A GUT (GUT) rövidítést először 1978-ban a CERN kutatói, John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard és Dmitry Nanopoulos alkották meg, de cikkük végső változatában a GUM-ot (nagy egyesítő tömeg) választották. Még abban az évben Nanopoulos volt az első, aki egy cikkben használta a rövidítést. Röviden, sok munkát végeztünk a Nagy Egységes Elmélet felé vezető úton.
A fogalmak közönsége
Az SU rövidítést a nagy egyesülési elméletekre használjuk, amelyekre ebben a cikkben gyakran hivatkozunk. Az a tény, hogy az elektronok és a protonok elektromos töltései látszólag rendkívüli pontossággal kioltják egymást, elengedhetetlen az általunk ismert makroszkopikus világ számára, de az elemi részecskék ezen fontos tulajdonságát a részecskefizika standard modellje nem magyarázza meg. Míg a standard modellben az erős és gyenge kölcsönhatások leírása egyszerű SU(3) és SU(2) szimmetriacsoportok által szabályozott mérőszimmetriákon alapul, amelyek csak diszkrét töltéseket tesznek lehetővé, addig a fennmaradó komponenst, a gyenge hipertöltés kölcsönhatást a következőképpen írják le: az Abeli U(1), ami elvileg megengedia díjak önkényes elosztása.
A megfigyelt töltéskvantálás, nevezetesen az a tény, hogy az összes ismert elemi részecske olyan elektromos töltést hordoz, amely az elemi töltés harmadának pontos többszörösének tűnik, ahhoz az elképzeléshez vezetett, hogy hipertöltési kölcsönhatásokat, esetleg erős és gyenge kölcsönhatásokat lehet létrehozni. egyetlen nagy egységes kölcsönhatásba, amelyet egy nagyobb egyszerű szimmetriacsoport ír le, amely tartalmazza a standard modellt. Ez automatikusan megjósolja az elemi részecskék összes töltésének kvantált természetét és értékét. Mivel az általunk megfigyelt mögöttes kölcsönhatások relatív erősségének előrejelzéséhez is vezet, különösen a gyenge keverési szög miatt, a Grand Unification ideális esetben csökkenti a független bemenetek számát, de a megfigyelésekre is korlátozódik. Bármennyire is univerzálisnak tűnik a nagy egységes elmélet, a róla szóló könyvek nem túl népszerűek.
Georgie-Glasgow elmélet (SU (5))
A nagy egyesülés a 19. századi Maxwell elektromágneses elméletében az elektromos és mágneses erők egyesítésére emlékeztet, de fizikai jelentése és matematikai szerkezete minőségileg eltérő.
Azonban nem nyilvánvaló, hogy a kiterjesztett nagy egységes szimmetria lehető legegyszerűbb választása az elemi részecskék megfelelő halmazának előállítása. Az a tény, hogy az összes jelenleg ismert anyagrészecske jól illeszkedik a három legkisebb SU(5) csoportreprezentációs elméletbe, és azonnal hordozza a helyes megfigyelhető töltéseket, az egyik első ésa legfontosabb okok, amiért az emberek azt hiszik, hogy a nagy egységes elmélet valóban megvalósítható a természetben.
Az SU(5) két legkisebb irreducibilis ábrázolása az 5 és a 10. A szabványos jelölésben az 5 egy jobb oldali lefelé típusú színhármas és egy bal-bal izospin dublett töltéskonjugátumait tartalmazza, míg a 10. egy up-típusú kvark hat komponensét tartalmazza, színez egy balkezes down-típusú kvark triplettjét és egy jobbkezes elektront. Ezt a sémát az anyag mindhárom ismert generációjára kell reprodukálni. Figyelemre méltó, hogy az elmélet nem tartalmaz ilyen tartalmú anomáliákat.
A hipotetikus jobbkezes neutrínók egy SU(5) szingulett, ami azt jelenti, hogy tömegét semmilyen szimmetria nem tiltja; nem kell spontán megtörnie a szimmetriát, ami megmagyarázza, miért lesz tömege nagy.
Itt az anyag egyesülése még teljesebb, mivel a 16 irreducibilis spinorábrázolás az SU(5) és a jobb oldali neutrínók 5-ös és 10-esét is tartalmazza, így az egy generáció részecskéinek teljes tartalmát. kiterjesztett standard modell neutrínótömegekkel. Ez már a legnagyobb egyszerű csoport, amely eléri az anyag egyesülését egy olyan rendszerben, amely csak a már ismert anyagrészecskéket tartalmazza (kivéve a Higgs-szektort).
Mivel a különféle szabványos modellfermionok nagyobb reprezentációkba vannak csoportosítva, a GUT-k kifejezetten előrejelzik a fermiontömegek közötti kapcsolatokat, például egy elektron ésdown kvark, müon és furcsa kvark, valamint a tau lepton és down kvark az SU(5) számára. Ezek közül néhány tömegarány hozzávetőleges, de a legtöbb nem.
SO(10) elmélet
Az SO(10) bozonikus mátrixát úgy találjuk meg, hogy 15×15-ös mátrixot veszünk az SU(5) 10 + 5 reprezentációjából, és hozzáadunk egy további sort és oszlopot a jobb oldali neutrínóhoz. A bozonokat úgy találhatjuk meg, hogy mind a 20 töltött bozonhoz adunk egy partnert (2 jobboldali W-bozon, 6 masszív töltésű gluon és 12 X/Y típusú bozon), és egy extra nehéz semleges Z-bozont adunk hozzá 5 semleges bozon létrehozásához. A bozonikus mátrix minden sorában és oszlopában lesz egy bozon vagy annak új partnere. Ezek a párok egyesítik az ismert 16D Dirac spin mátrixokat SO(10).
Szabványmodell
A szabványos modell nem királis kiterjesztései a magasabb SU(N) GUT-ban természetesen megjelenő kettéhasadt részecskék vektorspektrumával jelentősen megváltoztatják a sivatagi fizikát, és valósághű (sorléptékű) nagy egyesüléshez vezetnek a szokásos három kvark-lepton esetében családok szuperszimmetria nélkül is (lásd alább). Másrészt a szuperszimmetrikus SU(8) GUT-ban megjelenő új, hiányzó VEV-mechanizmus megjelenése miatt a mérőműszerhierarchia problémájára (dupla-triplet felosztás) és az ízegyesítési problémára egyidejűleg lehet megoldást találni.
Más elméletek és elemi részecskék
GUT négy családdal/generációval, SU(8): feltételezve, hogy a fermionok 4 generációja 3 helyett összesen 64 részecsketípust generál. 64=8 + 56 SU(8) reprezentációba helyezhetők el. Ez felosztható SU(5) × SU(3) F × U(1) elemre, ami az SU(5) elmélet, valamint néhány nehéz bozon, amelyek befolyásolják a generációk számát.
GUT négy családdal/generációval, O(16): Feltételezve, hogy 4 generációs fermionok, 128 részecske és antirészecske fér bele egyetlen O(16) spinor reprezentációba. Mindezeket a dolgokat a nagy egységes elmélet felé vezető úton fedezték fel.
