Grand Unified Theory (GUT, GUT ili GUT - sve tri kratice će se koristiti u članku) je model u fizici čestica u kojem se, pri visokoj energiji, tri mjerne interakcije standardnog modela koje određuju elektromagnetski, slabe i jake interakcije ili sile se kombiniraju u jednu jedinu silu. Ovu kombiniranu interakciju karakterizira jedna simetrija većeg gabarita, a time i nekoliko nosivih sila, ali jedna trajna veza. Ako se veliko ujedinjenje dogodi u prirodi, postoji mogućnost ere velikog ujedinjenja u ranom svemiru u kojem temeljne sile još nisu različite.
Grand Unified Theory ukratko
Modeli koji ne objedinjuju sve interakcije koristeći jednu jednostavnu grupu kao mjernu simetriju, čine to koristeći polujednostavne grupe, mogu pokazati slična svojstva i ponekad se nazivaju i teorijama velikog ujedinjenja.
Kombiniranje gravitacije s ostale tri sile bi dalo teoriju svega (OO), a ne GUT. Međutim, GUT se često doživljava kao međukorak prema OO. Sve su to karakteristične ideje za velike teorije ujedinjenja i superunifikacije.
Očekuje se da će nove čestice koje predviđaju GUT modeli imati mase oko GUT ljestvice - samo nekoliko redova veličine ispod Planckove ljestvice - i stoga izvan dosega za bilo kakve predložene eksperimente sudarača čestica. Stoga se čestice predviđene GUT modelima ne mogu izravno promatrati, već se umjesto toga mogu otkriti učinci velikog ujedinjenja putem neizravnih promatranja kao što su protonski raspad, električni dipolni momenti elementarnih čestica ili svojstva neutrina. Neki GUT-ovi, kao što je model Pati Salam, predviđaju postojanje magnetskih monopola.
Karakteristike modela
GUT modeli, koji nastoje biti potpuno realistični, prilično su složeni, čak i u usporedbi sa standardnim modelom, jer moraju uvesti dodatna polja i interakcije, ili čak dodatne dimenzije prostora. Glavni razlog ove složenosti leži u poteškoćama reprodukcije promatranih masa fermiona i kutova miješanja, što može biti posljedica postojanja nekih dodatnih obiteljskih simetrija izvan tradicionalnih GUT modela. Zbog ove poteškoće i izostanka bilo kakvog vidljivog učinka velikog ujedinjenja, još uvijek ne postoji općeprihvaćen GUT model.
Prvo povijesnopravi GUT baziran na Leejevoj jednostavnoj SU grupi predložili su Howard George i Sheldon Glashow 1974. godine. Modelu Georgi-Glashowa prethodio je polujednostavna Liejeva algebra Pati-Salam model koji su predložili Abdus Salam i Jogesh Pati, koji su prvi predložili objedinjujuće mjerne interakcije.
povijest imena
Kraticu GUT (GUT) prvi su skovali 1978. istraživači CERN-a John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard i Dmitry Nanopoulos, no u konačnoj verziji svog članka odabrali su GUM (velika masa ujedinjenja). Kasnije te godine Nanopoulos je prvi upotrijebio akronim u članku. Ukratko, puno je posla obavljeno na putu do Velike ujedinjene teorije.
Zajedništvo koncepata
Skraćenica SU koristi se za označavanje teorija velikog ujedinjenja, koje će se često spominjati u ovom članku. Činjenica da se čini da se električni naboji elektrona i protona međusobno poništavaju s iznimnom preciznošću bitna je za makroskopski svijet kakav poznajemo, ali ovo važno svojstvo elementarnih čestica nije objašnjeno u standardnom modelu fizike čestica. Dok se opis jakih i slabih interakcija u Standardnom modelu temelji na kalibracijskim simetrijama kojima upravljaju jednostavne SU(3) i SU(2) grupe simetrije koje dopuštaju samo diskretne naboje, preostala komponenta, slaba interakcija hipernaboja, opisuje se kao abelov U(1), koji u principu dopuštaproizvoljna raspodjela troškova.
Uočena kvantizacija naboja, naime činjenica da sve poznate elementarne čestice nose električne naboje za koje se čini da su točni višekratnici ⅓ elementarnog naboja, dovela je do ideje da se mogu izgraditi interakcije hipernaboja i moguće jake i slabe interakcije u jednu veliku ujedinjenu interakciju opisanu jednom većom jednostavnom grupom simetrije koja sadrži standardni model. To će automatski predvidjeti kvantiziranu prirodu i vrijednosti svih naboja elementarnih čestica. Budući da također dovodi do predviđanja relativne snage temeljnih interakcija koje promatramo, posebno slabog kuta miješanja, Grand Unification idealno smanjuje broj neovisnih ulaza, ali je također ograničen na opažanja. Koliko god se teorija velikog ujedinjenja činila univerzalnom, knjige o njoj nisu baš popularne.
Georgie-Glasgow teorija (SU (5))
Veliko ujedinjenje podsjeća na ujedinjenje električnih i magnetskih sila u Maxwellovoj teoriji elektromagnetizma u 19. stoljeću, ali njegovo fizičko značenje i matematička struktura su kvalitativno drugačiji.
Međutim, nije očito da je najjednostavniji mogući izbor za proširenu veliku ujedinjenu simetriju proizvesti ispravan skup elementarnih čestica. Činjenica da se sve trenutno poznate čestice materije dobro uklapaju u tri najmanje teorije predstavljanja SU(5) grupe i odmah nose ispravne vidljive naboje jedna je od prvih inajvažniji razlozi zašto ljudi vjeruju da se teorija velikog ujedinjenja zapravo može realizirati u prirodi.
Dva najmanja ireducibilna prikaza SU(5) su 5 i 10. U standardnoj notaciji, 5 sadrži konjugate naboja desnog donjeg tipa tripleta boja i lijevog lijevog izospin dubleta, dok 10 sadrži šest komponenti kvarka gornjeg tipa, obojite triplet lijevog donjeg tipa kvarka i desnog elektrona. Ova shema mora se reproducirati za svaku od tri poznate generacije materije. Važno je napomenuti da teorija ne sadrži anomalije s ovim sadržajem.
Hipotetski desnoruki neutrini su SU(5) singlet, što znači da njegova masa nije zabranjena nikakvom simetrijom; ne mora spontano prekinuti simetriju, što objašnjava zašto će njegova masa biti velika.
Ovdje je ujedinjenje materije još potpunije, budući da ireducibilni spinorni prikaz 16 sadrži i 5 i 10 SU(5) i desnih neutrina, a time i ukupan sadržaj čestica jedne generacije prošireni standardni model s masama neutrina. Ovo je već najveća jednostavna skupina koja postiže ujedinjenje materije u shemi koja uključuje samo već poznate čestice materije (osim Higgsovog sektora).
Budući da su različiti standardni model fermiona grupirani u veće prikaze, GUT-ovi posebno predviđaju odnose između masa fermiona, kao što je između elektrona idown kvark, mion i čudni kvark, te tau lepton i down kvark za SU(5). Neki od ovih omjera mase su približni, ali većina ne.
SO(10) teorija
Bozonska matrica za SO(10) se nalazi uzimanjem 15×15 matrice 10 + 5 prikaza SU(5) i dodavanjem dodatnog retka i stupca za desni neutrino. Bozoni se mogu pronaći dodavanjem partnera svakom od 20 nabijenih bozona (2 desna W bozona, 6 masivnih nabijenih gluona i 12 bozona tipa X/Y) i dodavanjem dodatnog teškog neutralnog Z bozona kako bi se dobilo 5 neutralnih bozona. Bozonska matrica imat će bozon ili svog novog partnera u svakom retku i stupcu. Ovi parovi se kombiniraju kako bi stvorili poznate 16D Diracove spin matrice SO(10).
Standardni model
Nehiralne ekstenzije Standardnog modela s vektorskim spektrima podijeljenih multipletnih čestica koje se prirodno pojavljuju u višim SU(N) GUT-ima značajno mijenjaju pustinjsku fiziku i dovode do realnog (razmjernog reda) velikog ujedinjenja za uobičajena tri kvark-leptona obitelji čak i bez korištenja supersimetrije (vidi dolje). S druge strane, zbog pojave novog VEV mehanizma koji nedostaje koji se pojavljuje u supersimetričnom SU(8) GUT-u, može se pronaći istovremeno rješenje problema hijerarhije mjerača (dvostruko-tripletno cijepanje) i problema objedinjavanja okusa.
Druge teorije i elementarne čestice
GUT s četiri obitelji/generacije, SU(8): uz pretpostavku da 4 generacije fermiona umjesto 3 generiraju ukupno 64 tipa čestica. Mogu se smjestiti u 64=8 + 56 SU(8) prikaza. To se može podijeliti na SU(5) × SU(3) F × U(1), što je teorija SU(5), zajedno s nekim teškim bozonima koji utječu na broj generacije.
GUT s četiri obitelji/generacije, O(16): Opet, pod pretpostavkom da 4 generacije fermiona, 128 čestica i antičestica mogu stati u jedan O(16) spinorni prikaz. Sve su te stvari otkrivene na putu do teorije velikog ujedinjenja.
