Grand Unified Theory (GUT, GUT или GUT - и трите съкращения ще бъдат използвани в статията) е модел във физиката на елементарните частици, в който при висока енергия трите габаритни взаимодействия на стандартния модел, които определят електромагнитното, слабите и силните взаимодействия или сили се комбинират в една единствена сила. Това комбинирано взаимодействие се характеризира с една симетрия с по-голям габарит и следователно няколко носещи сили, но една постоянна връзка. Ако в природата се случи велико обединение, съществува възможност за ера на велико обединение в ранната вселена, в която фундаменталните сили все още не са различни.
Обединена теория накратко
Модели, които не обединяват всички взаимодействия, използвайки една проста група като калибровъчна симетрия, правят това с помощта на полупрости групи, могат да проявяват подобни свойства и понякога се наричат още теории за велико обединение..
Комбинирането на гравитацията с другите три сили би осигурило теория за всичко (OO), а не GUT. Въпреки това, GUT често се разглежда като междинна стъпка към OO. Всичко това са характерни идеи за великите теории за обединение и свръхобединение.
Новите частици, предвидени от моделите на GUT, се очаква да имат маси около скалата на GUT - само няколко порядъка под скалата на Планк - и следователно извън обсега за всякакви предложени експерименти с колайдер на частици. Следователно, частиците, предсказани от моделите на GUT, не могат да бъдат наблюдавани директно и вместо това, ефектите на голямото обединение могат да бъдат открити чрез индиректни наблюдения като протонен разпад, електрически диполни моменти на елементарни частици или свойства на неутрино. Някои GUTs, като модела Pati Salam, предвиждат съществуването на магнитни монополи.
Характеристики на моделите
GUT моделите, които целят да бъдат напълно реалистични, са доста сложни, дори в сравнение със стандартния модел, защото трябва да въвеждат допълнителни полета и взаимодействия или дори допълнителни измерения на пространството. Основната причина за тази сложност се крие в трудността при възпроизвеждане на наблюдаваните фермионни маси и ъгли на смесване, което може да се дължи на съществуването на някои допълнителни семейни симетрии извън традиционните модели на GUT. Поради тази трудност и липсата на какъвто и да е забележим ефект на голямо обединение, все още няма общоприет модел на GUT.
Исторически първоистинската GUT, базирана на простата SU група на Лий, беше предложена от Хауърд Джордж и Шелдън Глашоу през 1974 г. Моделът на Георги-Глашоу е предшестван от полупростата алгебра на Лиевата алгебра на Пати-Салам, предложена от Абдус Салам и Джогеш Пати, които първи предложиха обединяващи габаритни взаимодействия.
История на имената
Съкращението GUT (GUT) е въведено за първи път през 1978 г. от изследователите от ЦЕРН Джон Елис, Анджей Бурас, Мери С. Гаярд и Дмитрий Нанопулос, но в окончателната версия на статията си те избраха GUM (голяма обединителна маса). Нанопулос по-късно същата година е първият, който използва акронима в статия. Накратко, много работа беше свършена по пътя към Великата Обединена Теория.
Общност на понятията
Съкращението SU се използва за обозначаване на теориите за велико обединение, които ще бъдат споменавани често в тази статия. Фактът, че електрическите заряди на електрони и протони изглежда се компенсират взаимно с изключителна прецизност, е от съществено значение за макроскопския свят, какъвто го познаваме, но това важно свойство на елементарните частици не се обяснява в стандартния модел на физиката на елементарните частици. Докато описанието на силните и слабите взаимодействия в Стандартния модел се основава на габаритни симетрии, управлявани от прости групи на симетрия SU(3) и SU(2), които позволяват само дискретни заряди, оставащият компонент, слабото взаимодействие на хиперзаряд, се описва от абелевото U(1), което по принцип позволявапроизволно разпределение на таксите.
Наблюдаваното квантуване на заряда, а именно фактът, че всички известни елементарни частици носят електрически заряди, които изглеждат точни кратни на ⅓ от елементарния заряд, доведе до идеята, че могат да се изградят взаимодействия на хиперзаряд и евентуално силни и слаби взаимодействия в едно голямо обединено взаимодействие, описано от една по-голяма проста група на симетрия, съдържаща стандартния модел. Това автоматично ще предскаже квантованата природа и стойностите на всички заряди на елементарните частици. Тъй като също така води до прогнозиране на относителната сила на основните взаимодействия, които наблюдаваме, по-специално слабия ъгъл на смесване, Grand Unification идеално намалява броя на независимите входове, но също така се ограничава до наблюдения. Колкото и универсална да изглежда теорията за великото обединение, книгите за нея не са много популярни.
Теория на Джорджи-Глазгоу (SU (5))
Великото обединение напомня обединението на електрическите и магнитните сили в теорията на Максуел за електромагнетизма през 19-ти век, но неговото физическо значение и математическа структура са качествено различни.
Въпреки това, не е очевидно, че най-простият възможен избор за разширената голяма обединена симетрия е да се създаде правилния набор от елементарни частици. Фактът, че всички известни понастоящем частици от материята се вписват добре в трите най-малки SU(5) теории за представяне на групата и незабавно носят правилните наблюдаеми заряди, е един от първите инай-важните причини, поради които хората вярват, че теорията за великото обединение всъщност може да бъде реализирана в природата.
Двете най-малки несводими представяния на SU(5) са 5 и 10. В стандартната нотация 5 съдържа конюгатите на заряда на десния цветен триплет от типа надолу и левия левоизоспин дублет, докато 10 съдържа шест компонента на кварк от горен тип, оцветява триплет от ляв кварк отдолу и един десен електрон. Тази схема трябва да бъде възпроизведена за всяко от трите известни поколения материя. Прави впечатление, че теорията не съдържа аномалии с това съдържание.
Хипотетичните десни неутрино са SU(5) синглет, което означава, че неговата маса не е забранена от никаква симетрия; не е необходимо спонтанно да нарушава симетрията, което обяснява защо масата му ще бъде голяма.
Тук обединението на материята е още по-пълно, тъй като несводимото спинорно представяне 16 съдържа както 5, така и 10 от SU(5) и десни неутрино, и по този начин общото съдържание на частиците от едно поколение на разширен стандартен модел с неутрино маси. Това вече е най-голямата проста група, която постига обединяването на материята в схема, която включва само вече известни частици материя (с изключение на сектора на Хигс).
Тъй като различните стандартни моделни фермиони са групирани в по-големи представяния, GUTs специално предвиждат връзки между масите на фермиони, като например между електрон идаун кварк, мюон и странен кварк и тау лептон и даун кварк за SU(5). Някои от тези масови съотношения са приблизителни, но повечето не.
SO(10) теория
Бозоновата матрица за SO(10) се намира, като се вземе 15×15 матрица от 10 + 5 представяне на SU(5) и се добави допълнителен ред и колона за дясното неутрино. Бозоните могат да бъдат намерени чрез добавяне на партньор към всеки от 20-те заредени бозона (2 десни W бозона, 6 масивни заредени глуона и 12 бозона от тип X/Y) и добавяне на допълнителен тежък неутрален Z бозон, за да се получат 5 неутрални бозона. Бозонната матрица ще има бозон или негов нов партньор във всеки ред и колона. Тези двойки се комбинират, за да създадат познатите 16D матрици на завъртане на Дирак SO(10).
Стандартен модел
Нехирални разширения на стандартния модел с векторни спектри на разделени мултиплетни частици, които естествено се появяват в по-високи SU(N) GUTs, значително променят физиката на пустинята и водят до реалистично (в мащаб на редове) велико обединение за обичайните три кварк-лептона семейства дори без използване на суперсиметрия (вижте по-долу). От друга страна, поради появата на нов липсващ VEV механизъм, който се появява в суперсиметричния SU(8) GUT, може да бъде намерено едновременно решение на проблема с йерархията на габарит (двойно-триплетно разделяне) и проблема за обединяване на вкуса.
Други теории и елементарни частици
GUT с четири семейства/генерации, SU(8): приемайки 4 поколения фермиони вместо 3 генерират общо 64 типа частици. Те могат да бъдат поставени в 64=8 + 56 SU(8) представяния. Това може да бъде разделено на SU(5) × SU(3) F × U(1), което е SU(5) теория, заедно с някои тежки бозони, които влияят на броя на поколението.
GUT с четири семейства/поколения, O(16): Отново, ако приемем, че 4 поколения фермиони, 128 частици и античастици могат да се поберат в едно O(16) спинорно представяне. Всички тези неща бяха открити по пътя към теорията за великото обединение.
