Lielā vienotā teorija (GUT, GUT vai GUT - rakstā tiks izmantoti visi trīs saīsinājumi) ir daļiņu fizikas modelis, kurā pie lielas enerģijas standarta modeļa trīs mērinstrumentu mijiedarbības nosaka elektromagnētisko., vāja un spēcīga mijiedarbība vai spēki tiek apvienoti vienā spēkā. Šo kombinēto mijiedarbību raksturo viena lielāka gabarīta simetrija un līdz ar to vairāki nesēja spēki, bet viena pastāvīga saite. Ja dabā notiek liela apvienošanās, agrīnajā Visumā pastāv lielas apvienošanās laikmeta iespēja, kurā fundamentālie spēki vēl neatšķiras.
Lielā vienotā teorija īsumā
Modeļi, kas neapvieno visas mijiedarbības, izmantojot vienu vienkāršu grupu kā mērinstrumentu simetriju, to dara, izmantojot daļēji vienkāršas grupas, tiem var būt līdzīgas īpašības, un tos dažreiz sauc arī par lielām apvienošanas teorijām.
Apvienojot gravitāciju ar pārējiem trim spēkiem, tiktu iegūta teorija par visu (OO), nevis GUT. Tomēr GUT bieži tiek uzskatīts par starpposmu ceļā uz OO. Tās visas ir raksturīgas idejas lielajām apvienošanas un pārapvienošanās teorijām.
Paredzams, ka jaunajām daļiņām, ko paredz GUT modeļi, būs masa ap GUT skalu - tikai dažas kārtas zem Planka skalas - un tāpēc tās nav pieejamas nevienam ierosinātajam daļiņu paātrinātāja eksperimentam. Tāpēc GUT modeļu prognozētās daļiņas nevar novērot tieši, un tā vietā lielos apvienošanas efektus var noteikt, izmantojot netiešus novērojumus, piemēram, protonu sabrukšanu, elementārdaļiņu elektriskos dipola momentus vai neitrīno īpašības. Daži GUT, piemēram, Pati Salam modelis, paredz magnētisko monopolu esamību.
Modeļu raksturojums
GUT modeļi, kuru mērķis ir būt pilnīgi reālistiskiem, ir diezgan sarežģīti, pat salīdzinot ar standarta modeli, jo tiem ir jāievieš papildu lauki un mijiedarbības vai pat papildu telpas izmēri. Galvenais šīs sarežģītības iemesls ir grūtības reproducēt novērotās fermiona masas un sajaukšanas leņķus, kas var būt saistīts ar dažām papildu ģimenes simetrijām ārpus tradicionālajiem GUT modeļiem. Šo grūtību un novērojama grandiozā apvienošanās efekta trūkuma dēļ joprojām nav vispārpieņemta GUT modeļa.
Vēsturiski vispirmsīstu GUT, kas balstīts uz Lī vienkāršo SU grupu, ierosināja Hovards Džordžs un Šeldons Glāšovs 1974. gadā. Pirms Džordžija-Glešova modeļa tika izmantots daļēji vienkāršs Lie algebras Pati-Salama modelis, ko ierosināja Abduss Salams un Džogešs Pati, kurš pirmais ierosināja apvienot mērierīču mijiedarbības.
Vārdu vēsture
Saīsinājumu GUT (GUT) 1978. gadā pirmo reizi ieviesa CERN pētnieki Džons Eliss, Andžejs Burass, Mērija K. Gejada un Dmitrijs Nanopuls, taču sava raksta galīgajā versijā viņi izvēlējās GUM (lielā apvienošanās masa). Vēlāk tajā pašā gadā Nanopuls bija pirmais, kurš rakstā izmantoja šo saīsinājumu. Īsāk sakot, ir paveikts liels darbs ceļā uz Lielo vienoto teoriju.
Jēdzienu kopīgums
Saīsinājums SU tiek izmantots, lai apzīmētu lielās apvienošanas teorijas, kuras šajā rakstā tiks bieži pieminētas. Fakts, ka šķiet, ka elektronu un protonu elektriskie lādiņi ar ārkārtēju precizitāti izslēdz viens otru, ir būtisks makroskopiskajai pasaulei, kādu mēs to zinām, taču šī svarīgā elementārdaļiņu īpašība nav izskaidrota daļiņu fizikas standarta modelī. Lai gan spēcīgās un vājās mijiedarbības apraksts standarta modelī ir balstīts uz mērinstrumentu simetrijām, ko regulē vienkāršas SU(3) un SU(2) simetrijas grupas, kas pieļauj tikai atsevišķus lādiņus, atlikušo komponentu, vājo hiperlādiņa mijiedarbību, apraksta Ābela U(1), kas principā pieļaujpatvaļīga maksas sadale.
Novērotā lādiņa kvantēšana, proti, fakts, ka visas zināmās elementārdaļiņas nes elektriskos lādiņus, kas, šķiet, ir precīzi ⅓ elementārā lādiņa daudzkārtņi, radīja domu, ka var izveidot hiperlādiņu mijiedarbību un, iespējams, spēcīgu un vāju mijiedarbību. vienā lielā vienotā mijiedarbībā, ko apraksta viena lielāka vienkārša simetrijas grupa, kas satur standarta modeli. Tas automātiski prognozēs visu elementārdaļiņu lādiņu kvantēto raksturu un vērtības. Tā kā tas arī ļauj prognozēt mūsu novērojamo pamatā esošo mijiedarbību relatīvo stiprumu, jo īpaši vājo sajaukšanas leņķi, Grand Unification ideāli samazina neatkarīgo ievades skaitu, bet arī aprobežojas ar novērojumiem. Lai cik universāla šķistu lielā vienotā teorija, grāmatas par to nav īpaši populāras.
Džordžija-Glāzgovas teorija (SU (5))
Lielā apvienošana atgādina elektrisko un magnētisko spēku apvienošanu Maksvela elektromagnētisma teorijā 19. gadsimtā, taču tās fiziskā nozīme un matemātiskā struktūra ir kvalitatīvi atšķirīga.
Tomēr nav acīmredzams, ka vienkāršākā iespējamā izvēle paplašinātajai lielajai vienotajai simetrijai ir izveidot pareizo elementārdaļiņu kopu. Fakts, ka visas šobrīd zināmās matērijas daļiņas labi iekļaujas trīs mazākās SU(5) grupas reprezentācijas teorijās un uzreiz satur pareizos novērojamos lādiņus, ir viens no pirmajiem unsvarīgākie iemesli, kāpēc cilvēki uzskata, ka grandiozā vienotā teorija patiešām var tikt realizēta dabā.
Divi mazākie nereducējamie SU(5) attēlojumi ir 5 un 10. Standarta apzīmējumā 5 satur labās puses lejup tipa krāsu tripleta un kreisās puses izospina dubleta lādiņu konjugātus, savukārt 10 satur sešas augšup-tipa kvarka sastāvdaļas, krāso kreisās puses down-tipa kvarka tripletu un labās puses elektronu. Šī shēma ir jāatveido katrai no trim zināmajām matērijas paaudzēm. Jāatzīmē, ka teorija nesatur anomālijas ar šo saturu.
Hipotētiski labās puses neitrīno ir SU(5) singlets, kas nozīmē, ka tā masu neaizliedz neviena simetrija; tai nav spontāni jālauž simetrija, kas izskaidro, kāpēc tā masa būs liela.
Šeit matērijas apvienošana ir vēl pilnīgāka, jo nereducējamā spinora attēlojumā 16 ir gan 5, gan 10 no SU(5) un labās puses neitrīno, un līdz ar to kopējais vienas paaudzes daļiņu saturs. paplašināts standarta modelis ar neitrīno masām. Šī jau ir lielākā vienkāršā grupa, kas panāk matērijas apvienošanu shēmā, kas ietver tikai jau zināmas vielas daļiņas (izņemot Higsa sektoru).
Tā kā dažādi standarta modeļa fermioni ir sagrupēti lielākos attēlos, GUT īpaši paredz attiecības starp fermiona masām, piemēram, starp elektronu undūnu kvarks, mions un dīvainais kvarks un tau leptons un dūnu kvarks SU (5). Dažas no šīm masas attiecībām ir aptuvenas, bet lielākā daļa nav.
SO(10) teorija
SO(10) bozona matrica tiek atrasta, ņemot 15 × 15 matricu 10 + 5 SU(5) attēlojumam un pievienojot papildu rindu un kolonnu labajam neitrīnam. Bozonus var atrast, pievienojot partneri katram no 20 lādētiem bozoniem (2 labie W bozoni, 6 masīvi uzlādēti gluoni un 12 X/Y tipa bozoni) un pievienojot īpaši smago neitrālu Z bozonu, lai izveidotu 5 neitrālus bozonus. Bozona matricā katrā rindā un kolonnā būs bozons vai tā jaunais partneris. Šie pāri apvienojas, veidojot pazīstamās 16D Dirac spin matricas SO(10).
Standarta modelis
Standarta modeļa nehirālie paplašinājumi ar sadalīto multipleta daļiņu vektoru spektriem, kas dabiski parādās augstākos SU(N) GUT, būtiski maina tuksneša fiziku un noved pie reālistiskas (rindu mēroga) lielas apvienošanās parastajam trīs kvarku-leptonam. ģimenes pat neizmantojot supersimetriju (skatīt zemāk). No otras puses, sakarā ar jauna, trūkstoša VEV mehānisma rašanos, kas parādās supersimetriskajā SU(8) GUT, var atrast vienlaicīgu risinājumu mērierīču hierarhijas problēmai (dubulttripleta sadalīšana) un garšas unifikācijas problēmai.
Citas teorijas un elementārdaļiņas
GUT ar četrām ģimenēm/paaudzēm, SU(8): pieņemot, ka 4 fermionu paaudzes, nevis 3, rada kopā 64 daļiņu tipus. Tos var ievietot 64=8 + 56 SU(8) attēlojumos. To var iedalīt SU(5) × SU(3) F × U(1), kas ir SU(5) teorija, kā arī daži smagie bozoni, kas ietekmē paaudzes skaitu.
GUT ar četrām ģimenēm/paaudzēm, O(16): Atkal, pieņemot, ka 4 fermionu paaudzes, 128 daļiņas un antidaļiņas var iekļauties vienā O(16) spinora attēlojumā. Visas šīs lietas tika atklātas ceļā uz lielo vienoto teoriju.
