Grand Unified Theory (GUT, GUT eller GUT - alle tre forkortelsene vil bli brukt i artikkelen) er en modell i partikkelfysikk der, ved høy energi, de tre gauge-interaksjonene til standardmodellen som bestemmer den elektromagnetiske, svake og sterke interaksjoner eller krefter kombineres til én enkelt kraft. Denne kombinerte interaksjonen er preget av en symmetri med større gauge, og derfor flere bærekrefter, men en permanent binding. Hvis en storslått forening finner sted i naturen, er det en mulighet for en storslått foreningstid i det tidlige universet der de grunnleggende kreftene ennå ikke er forskjellige.
Grand Unified Theory i korte trekk
Modeller som ikke forener alle interaksjoner ved å bruke én enkel gruppe som målersymmetri, gjør det ved å bruke semisimple grupper, kan vise lignende egenskaper og kalles noen ganger også store foreningsteorier.
Kombinering av gravitasjon med de tre andre kreftene ville gi en teori om alt (OO) i stedet for en GUT. Imidlertid blir GUT ofte sett på som et mellomsteg mot OO. Dette er alle karakteristiske ideer for de store teoriene om forening og superforening.
De nye partiklene spådd av GUT-modellene forventes å ha masser rundt GUT-skalaen - bare noen få størrelsesordener under Planck-skalaen - og derfor utenfor rekkevidde for eventuelle foreslåtte partikkelkollidereksperimenter. Derfor kan ikke partikler spådd av GUT-modeller observeres direkte, og i stedet kan store foreningseffekter oppdages gjennom indirekte observasjoner som protonforfall, elementærpartikkelelektriske dipolmomenter eller nøytrinoegenskaper. Noen GUT-er, som Pati Salam-modellen, forutsier eksistensen av magnetiske monopoler.
Kennetegn ved modeller
GUT-modeller, som tar sikte på å være fullstendig realistiske, er ganske komplekse, selv sammenlignet med standardmodellen, fordi de må introdusere flere felt og interaksjoner, eller til og med flere romdimensjoner. Hovedårsaken til denne kompleksiteten ligger i vanskeligheten med å reprodusere de observerte fermionmassene og blandevinklene, noe som kan skyldes eksistensen av noen ekstra familiesymmetrier utenfor de tradisjonelle GUT-modellene. På grunn av denne vanskeligheten og fraværet av noen observerbar storslått foreningseffekt, er det fortsatt ingen generelt akseptert GUT-modell.
Historisk førsten ekte GUT basert på Lees enkle SU-gruppe ble foreslått av Howard George og Sheldon Glashow i 1974. Georgi-Glashow-modellen ble innledet av den semi-enkle Lie-algebra Pati-Salam-modellen foreslått av Abdus Salam og Jogesh Pati, som først foreslo samlende måleinteraksjoner.
Navnehistorikk
Forkortelsen GUT (GUT) ble først laget i 1978 av CERN-forskerne John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard og Dmitry Nanopoulos, men i den endelige versjonen av artikkelen deres valgte de GUM (great unification mass). Nanopoulos senere samme år var den første som brukte akronymet i en artikkel. Kort sagt, mye arbeid har blitt gjort på veien til Grand Unified Theory.
Konseptfellesskap
Forkortelsen SU brukes for å referere til store foreningsteorier, som vil bli referert ofte til gjennom denne artikkelen. Det faktum at de elektriske ladningene til elektroner og protoner ser ut til å oppheve hverandre med ekstrem presisjon er essensielt for den makroskopiske verden slik vi kjenner den, men denne viktige egenskapen til elementærpartikler er ikke forklart i standardmodellen for partikkelfysikk. Mens beskrivelsen av de sterke og svake interaksjonene i standardmodellen er basert på målersymmetrier styrt av enkle SU(3) og SU(2) symmetrigrupper som kun tillater diskrete ladninger, er den gjenværende komponenten, den svake hyperladningsinteraksjonen, beskrevet av den abelske U(1), som i prinsippet tillatervilkårlig fordeling av avgifter.
Den observerte ladningskvantiseringen, nemlig det faktum at alle kjente elementærpartikler bærer elektriske ladninger som ser ut til å være eksakte multipler av ⅓ av elementærladningen, førte til ideen om at hyperladingsinteraksjoner og muligens sterke og svake interaksjoner kunne bygges til en storslått enhetlig interaksjon beskrevet av en større enkel symmetrigruppe som inneholder standardmodellen. Dette vil automatisk forutsi den kvantiserte naturen og verdiene til alle ladninger av elementærpartikler. Fordi det også fører til en prediksjon av de relative styrkene til de underliggende interaksjonene vi observerer, spesielt den svake blandingsvinkelen, reduserer Grand Unification ideelt sett antall uavhengige innganger, men er også begrenset til observasjoner. Så universell som den store enhetsteorien kan virke, er ikke bøker om den veldig populære.
Georgie-Glasgow Theory (SU (5))
Den store foreningen minner om foreningen av elektriske og magnetiske krefter i Maxwells teori om elektromagnetisme på 1800-tallet, men dens fysiske betydning og matematiske struktur er kvalitativt forskjellige.
Det er imidlertid ikke åpenbart at det enkleste mulige valget for den utvidede store enhetlige symmetrien er å produsere det riktige settet med elementærpartikler. Det faktum at alle kjente partikler av materie passer godt inn i de tre minste SU(5) grupperepresentasjonsteoriene og umiddelbart bærer de riktige observerbare ladningene, er en av de første ogde viktigste grunnene til at folk tror at den store enhetsteorien faktisk kan realiseres i naturen.
De to minste irreduserbare representasjonene av SU(5) er 5 og 10. I standardnotasjonen inneholder 5 ladningskonjugatene til en høyrehendt fargetriplett og en venstre-venstretons isospin-dublett, mens 10 inneholder seks komponenter av en opp-type kvark, farge en triplett av en venstrehendt down-type kvark og et høyrehendt elektron. Dette oppsettet må reproduseres for hver av de tre kjente generasjonene av materie. Det er bemerkelsesverdig at teorien ikke inneholder anomalier med dette innholdet.
Hypotetiske høyrehendte nøytrinoer er en SU(5) singlett, noe som betyr at dens masse ikke er forbudt av noen symmetri; den trenger ikke spontant bryte symmetrien, noe som forklarer hvorfor massen blir stor.
Her er foreningen av materie enda mer fullstendig, siden den irreduserbare spinorrepresentasjonen 16 inneholder både 5 og 10 av SU(5) og høyrehendte nøytrinoer, og dermed det totale innholdet av partikler i én generasjon av utvidet standardmodell med nøytrinomasser. Dette er allerede den største enkle gruppen som oppnår foreningen av materie i et opplegg som bare inkluderer allerede kjente partikler av materie (bortsett fra Higgs-sektoren).
Fordi de forskjellige standardmodellfermionene er gruppert i større representasjoner, forutsier GUT-er spesifikt forhold mellom fermionmasser, for eksempel mellom et elektron ogdunkvark, myon og merkelig kvark, og tau lepton og dunkvark for SU(5). Noen av disse masseforholdene er omtrentlige, men de fleste gjør det ikke.
SO(10) teori
Den bosoniske matrisen for SO(10) er funnet ved å ta en 15×15 matrise med 10 + 5 representasjon av SU(5) og legge til en ekstra rad og kolonne for høyre nøytrino. Bosonene kan bli funnet ved å legge til en partner til hver av de 20 ladede bosonene (2 høyre W-bosoner, 6 massivt ladede gluoner og 12 X/Y-bosoner) og legge til en ekstra tung nøytral Z-boson for å lage 5 nøytrale bosoner. Den bosoniske matrisen vil ha en boson eller dens nye partner i hver rad og kolonne. Disse parene kombineres for å lage de velkjente 16D Dirac-spinnmatrisene SO(10).
Standardmodell
Ikke-kirale utvidelser av standardmodellen med vektorspektra av delte multiplettpartikler som naturlig vises i høyere SU(N) GUT-er endrer ørkenfysikken betydelig og fører til realistisk (radskala) storslått forening for de vanlige tre kvark-leptonene familier selv uten å bruke supersymmetri (se nedenfor). På den annen side, på grunn av fremveksten av en ny manglende VEV-mekanisme som dukker opp i den supersymmetriske SU(8) GUT, kan en samtidig løsning på gaugehierarkiproblemet (dublett-triplett-splitting) og smaksforeningsproblemet bli funnet.
Andre teorier og elementærpartikler
GUT med fire familier/generasjoner, SU(8): antar at 4 generasjoner fermioner i stedet for 3 genererer tot alt 64 partikkeltyper. De kan plasseres i 64=8 + 56 SU(8) representasjoner. Dette kan deles inn i SU(5) × SU(3) F × U(1), som er SU(5)-teorien, sammen med noen tunge bosoner som påvirker generasjonstallet.
GUT med fire familier/generasjoner, O(16): Igjen, forutsatt at 4 generasjoner fermioner, kan 128 partikler og antipartikler passe inn i en enkelt O(16) spinorrepresentasjon. Alle disse tingene ble oppdaget på vei til den store enhetlige teorien.
