Grand Unified Theory (GUT, GUT ή GUT - και οι τρεις συντομογραφίες θα χρησιμοποιηθούν στο άρθρο) είναι ένα μοντέλο στη φυσική των σωματιδίων στο οποίο, σε υψηλή ενέργεια, οι αλληλεπιδράσεις των τριών μετρητών του τυπικού μοντέλου που καθορίζουν την ηλεκτρομαγνητική, αδύναμες και ισχυρές αλληλεπιδράσεις ή δυνάμεις συνδυάζονται σε μια ενιαία δύναμη. Αυτή η συνδυασμένη αλληλεπίδραση χαρακτηρίζεται από μία συμμετρία μεγαλύτερου εύρους, και επομένως από πολλές δυνάμεις φορείς, αλλά από έναν μόνιμο δεσμό. Εάν συμβεί μια μεγάλη ενοποίηση στη φύση, υπάρχει η πιθανότητα μιας μεγάλης εποχής ενοποίησης στο πρώιμο σύμπαν στην οποία οι θεμελιώδεις δυνάμεις δεν είναι ακόμη διαφορετικές.
Μεγάλη Ενοποιημένη Θεωρία εν συντομία
Μοντέλα που δεν ενοποιούν όλες τις αλληλεπιδράσεις χρησιμοποιώντας μια απλή ομάδα ως συμμετρία μετρητή, το κάνουν χρησιμοποιώντας ημιαπλές ομάδες, μπορούν να εμφανίσουν παρόμοιες ιδιότητες και μερικές φορές ονομάζονται επίσης θεωρίες μεγάλης ενοποίησης.
Ο συνδυασμός της βαρύτητας με τις άλλες τρεις δυνάμεις θα παρείχε μια θεωρία των πάντων (OO) αντί για ένα GUT. Ωστόσο, το GUT θεωρείται συχνά ως ένα ενδιάμεσο βήμα προς την OO. Όλες αυτές είναι χαρακτηριστικές ιδέες για τις μεγάλες θεωρίες της ενοποίησης και της υπερένωσης.
Τα νέα σωματίδια που προβλέπονται από τα μοντέλα GUT αναμένεται να έχουν μάζες γύρω από την κλίμακα GUT - λίγες μόνο τάξεις μεγέθους κάτω από την κλίμακα Planck - και επομένως απρόσιτα για οποιαδήποτε προτεινόμενα πειράματα επιταχυντών σωματιδίων. Επομένως, τα σωματίδια που προβλέπονται από τα μοντέλα GUT δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα και, αντί αυτού, τα μεγάλα φαινόμενα ενοποίησης μπορούν να ανιχνευθούν μέσω έμμεσων παρατηρήσεων όπως η διάσπαση πρωτονίων, οι ηλεκτρικές διπολικές ροπές στοιχειωδών σωματιδίων ή οι ιδιότητες των νετρίνων. Ορισμένοι εντέροι, όπως το μοντέλο Pati Salam, προβλέπουν την ύπαρξη μαγνητικών μονοπόλων.
Χαρακτηριστικά μοντέλων
Τα μοντέλα GUT, τα οποία στοχεύουν να είναι απολύτως ρεαλιστικά, είναι αρκετά περίπλοκα, ακόμη και σε σύγκριση με το τυπικό μοντέλο, επειδή πρέπει να εισάγουν πρόσθετα πεδία και αλληλεπιδράσεις ή ακόμη και πρόσθετες διαστάσεις του χώρου. Ο κύριος λόγος αυτής της πολυπλοκότητας έγκειται στη δυσκολία αναπαραγωγής των παρατηρούμενων μαζών φερμιονίων και των γωνιών ανάμειξης, που μπορεί να οφείλεται στην ύπαρξη κάποιων πρόσθετων οικογενειακών συμμετριών εκτός των παραδοσιακών μοντέλων GUT. Λόγω αυτής της δυσκολίας και της απουσίας οποιουδήποτε παρατηρήσιμου αποτελέσματος μεγάλης ενοποίησης, δεν υπάρχει ακόμη γενικά αποδεκτό μοντέλο GUT.
Πρώτα ιστορικάένα πραγματικό GUT βασισμένο στην απλή ομάδα SU του Lee προτάθηκε από τους Howard George και Sheldon Glashow το 1974. Το μοντέλο Georgi-Glashow είχε προηγηθεί από το ημιαπλό μοντέλο Lie algebra Pati-Salam που προτάθηκε από τους Abdus Salam και Jogesh Pati, οι οποίοι πρότειναν πρώτοι αλληλεπιδράσεις ενοποιημένων μετρητών.
Ιστορικό ονόματος
Η συντομογραφία GUT (GUT) επινοήθηκε για πρώτη φορά το 1978 από τους ερευνητές του CERN John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard και Dmitry Nanopoulos, αλλά στην τελική έκδοση του άρθρου τους επέλεξαν GUM (μεγάλη μάζα ενοποίησης). Ο Νανόπουλος αργότερα εκείνο το έτος ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε το ακρωνύμιο σε ένα άρθρο. Εν ολίγοις, έχει γίνει πολλή δουλειά στο δρόμο προς τη Μεγάλη Ενοποιημένη Θεωρία.
Κοινότητα εννοιών
Η συντομογραφία SU χρησιμοποιείται για να αναφέρεται σε μεγάλες θεωρίες ενοποίησης, οι οποίες θα αναφέρονται συχνά σε αυτό το άρθρο. Το γεγονός ότι τα ηλεκτρικά φορτία ηλεκτρονίων και πρωτονίων φαίνεται να αλληλοεξουδετερώνονται με εξαιρετική ακρίβεια είναι απαραίτητο για τον μακροσκοπικό κόσμο όπως τον ξέρουμε, αλλά αυτή η σημαντική ιδιότητα των στοιχειωδών σωματιδίων δεν εξηγείται στο τυπικό μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Ενώ η περιγραφή των ισχυρών και αδύναμων αλληλεπιδράσεων στο Καθιερωμένο μοντέλο βασίζεται σε συμμετρίες μετρητή που διέπονται από απλές ομάδες συμμετρίας SU(3) και SU(2) που επιτρέπουν μόνο διακριτά φορτία, η υπόλοιπη συνιστώσα, η αλληλεπίδραση ασθενούς υπερφόρτισης, περιγράφεται από το Abelian U(1), το οποίο καταρχήν επιτρέπειαυθαίρετη κατανομή χρεώσεων.
Η παρατηρούμενη κβαντοποίηση φορτίου, δηλαδή το γεγονός ότι όλα τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια φέρουν ηλεκτρικά φορτία που φαίνεται να είναι ακριβή πολλαπλάσια του ⅓ του στοιχειώδους φορτίου, οδήγησε στην ιδέα ότι θα μπορούσαν να δημιουργηθούν αλληλεπιδράσεις υπερφόρτισης και πιθανώς ισχυρές και ασθενείς αλληλεπιδράσεις σε μια μεγάλη ενοποιημένη αλληλεπίδραση που περιγράφεται από μια μεγαλύτερη ομάδα απλής συμμετρίας που περιέχει το τυπικό μοντέλο. Αυτό θα προβλέψει αυτόματα την κβαντισμένη φύση και τις τιμές όλων των φορτίων των στοιχειωδών σωματιδίων. Επειδή οδηγεί επίσης σε μια πρόβλεψη των σχετικών δυνάμεων των υποκείμενων αλληλεπιδράσεων που παρατηρούμε, ιδιαίτερα της ασθενής γωνίας ανάμειξης, το Grand Unification μειώνει ιδανικά τον αριθμό των ανεξάρτητων εισόδων, αλλά περιορίζεται επίσης σε παρατηρήσεις. Όσο καθολική και αν φαίνεται η μεγάλη ενοποιημένη θεωρία, τα βιβλία σχετικά με αυτήν δεν είναι πολύ δημοφιλή.
Georgie-Glasgow Theory (SU (5))
Η μεγάλη ενοποίηση θυμίζει την ενοποίηση ηλεκτρικών και μαγνητικών δυνάμεων στη θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού του Maxwell τον 19ο αιώνα, αλλά η φυσική της έννοια και η μαθηματική δομή είναι ποιοτικά διαφορετικές.
Ωστόσο, δεν είναι προφανές ότι η απλούστερη δυνατή επιλογή για την εκτεταμένη μεγάλη ενοποιημένη συμμετρία είναι να παραχθεί το σωστό σύνολο στοιχειωδών σωματιδίων. Το γεγονός ότι όλα τα επί του παρόντος γνωστά σωματίδια ύλης ταιριάζουν καλά στις τρεις μικρότερες θεωρίες αναπαράστασης της ομάδας SU(5) και φέρουν αμέσως τα σωστά παρατηρήσιμα φορτία είναι ένα από τα πρώτα καιοι πιο σημαντικοί λόγοι για τους οποίους οι άνθρωποι πιστεύουν ότι η μεγάλη ενοποιημένη θεωρία μπορεί πραγματικά να πραγματοποιηθεί στη φύση.
Οι δύο μικρότερες μη αναγώγιμες αναπαραστάσεις του SU(5) είναι το 5 και το 10. Στην τυπική σημείωση, το 5 περιέχει τα συζυγή φορτίου μιας τριπλέτας χρώματος δεξιόστροφου κάτω και ενός διπλού ισοσπινίου αριστεράς, ενώ το 10 περιέχει έξι συστατικά ενός κουάρκ ανω-τύπου, χρωματίζει μια τριάδα από ένα κουάρκ αριστερόστροφου κάτω και ένα δεξιό ηλεκτρόνιο. Αυτό το σχήμα πρέπει να αναπαραχθεί για καθεμία από τις τρεις γνωστές γενιές ύλης. Αξίζει να σημειωθεί ότι η θεωρία δεν περιέχει ανωμαλίες με αυτό το περιεχόμενο.
Τα υποθετικά δεξιόστροφα νετρίνα είναι ένα SU(5), που σημαίνει ότι η μάζα του δεν απαγορεύεται από καμία συμμετρία. δεν χρειάζεται να σπάσει αυθόρμητα τη συμμετρία, γεγονός που εξηγεί γιατί η μάζα του θα είναι μεγάλη.
Εδώ, η ενοποίηση της ύλης είναι ακόμη πιο πλήρης, αφού η αναπαράσταση του μη αναγώγιμου σπινορά 16 περιέχει τόσο το 5 όσο και το 10 του SU(5) και τα δεξιόστροφα νετρίνα, και επομένως το συνολικό περιεχόμενο των σωματιδίων μιας γενιάς του εκτεταμένο πρότυπο μοντέλο με μάζες νετρίνων. Αυτή είναι ήδη η μεγαλύτερη απλή ομάδα που επιτυγχάνει την ενοποίηση της ύλης σε ένα σχήμα που περιλαμβάνει μόνο ήδη γνωστά σωματίδια ύλης (εκτός από τον τομέα Higgs).
Επειδή τα διάφορα τυπικά φερμιόνια μοντέλων ομαδοποιούνται σε μεγαλύτερες αναπαραστάσεις, τα GUT προβλέπουν συγκεκριμένα σχέσεις μεταξύ μαζών φερμιονίων, όπως μεταξύ ηλεκτρονίου καικάτω κουάρκ, μιόνιο και παράξενο κουάρκ και το ταυ λεπτόνιο και κάτω κουάρκ για το SU(5). Ορισμένοι από αυτούς τους λόγους μάζας είναι κατά προσέγγιση, αλλά οι περισσότεροι όχι.
SO(10) θεωρία
Ο βοσονικός πίνακας για το SO(10) βρίσκεται λαμβάνοντας έναν πίνακα 15×15 με αναπαράσταση 10 + 5 του SU(5) και προσθέτοντας μια επιπλέον σειρά και στήλη για το σωστό νετρίνο. Τα μποζόνια μπορούν να βρεθούν προσθέτοντας έναν εταίρο σε καθένα από τα 20 φορτισμένα μποζόνια (2 δεξιά μποζόνια W, 6 μαζικά φορτισμένα γκλουόνια και 12 μποζόνια τύπου X/Y) και προσθέτοντας ένα επιπλέον βαρύ ουδέτερο μποζόνιο Ζ για να φτιάξουμε 5 ουδέτερα μποζόνια. Ο μποζονικός πίνακας θα έχει ένα μποζόνιο ή το νέο του συνεργάτη σε κάθε γραμμή και στήλη. Αυτά τα ζεύγη συνδυάζονται για να δημιουργήσουν τους γνωστούς πίνακες περιστροφής 16D Dirac SO(10).
Τυπικό μοντέλο
Μη χειρόμορφες επεκτάσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου με διανυσματικά φάσματα διαιρεμένων πολλαπλών σωματιδίων που εμφανίζονται φυσικά σε υψηλότερα SU(N) GUTs αλλάζουν σημαντικά τη φυσική της ερήμου και οδηγούν σε ρεαλιστική (κλίμακα σειρών) μεγάλη ενοποίηση για τα συνηθισμένα τρία κουάρκ-λεπτόνια οικογένειες ακόμη και χωρίς τη χρήση υπερσυμμετρίας (βλ. παρακάτω). Από την άλλη πλευρά, λόγω της εμφάνισης ενός νέου μηχανισμού VEV που λείπει που εμφανίζεται στο υπερσυμμετρικό SU(8) GUT, μπορεί να βρεθεί μια ταυτόχρονη λύση στο πρόβλημα της ιεραρχίας του μετρητή (διαίρεση διπλού-τριπλέτου) και του προβλήματος ενοποίησης γεύσης.
Άλλες θεωρίες και στοιχειώδη σωματίδια
GUT με τέσσερις οικογένειες/γενιές, SU(8): υποθέτοντας ότι 4 γενιές φερμιονίων αντί για 3 δημιουργούν συνολικά 64 τύπους σωματιδίων. Μπορούν να τοποθετηθούν σε 64=8 + 56 SU(8) παραστάσεις. Αυτό μπορεί να χωριστεί σε SU(5) × SU(3) F × U(1), που είναι η θεωρία SU(5), μαζί με μερικά βαριά μποζόνια που επηρεάζουν τον αριθμό της γενιάς.
GUT με τέσσερις οικογένειες/γενιές, O(16): Και πάλι, αν υποθέσουμε ότι 4 γενιές φερμιονίων, 128 σωματίδια και αντισωματίδια μπορούν να χωρέσουν σε μία αναπαράσταση σπινορά O(16). Όλα αυτά τα πράγματα ανακαλύφθηκαν στο δρόμο προς τη μεγάλη ενοποιημένη θεωρία.
