Grand Unified Theory (GUT, GUT alebo GUT – v článku budú použité všetky tri skratky) je model v časticovej fyzike, v ktorom pri vysokej energii sú interakcie troch mierok štandardného modelu, ktoré určujú elektromagnetické, slabé a silné interakcie alebo sily sú spojené do jednej jedinej sily. Táto kombinovaná interakcia je charakterizovaná jednou symetriou väčšieho rozmeru, a teda niekoľkými nosnými silami, ale jednou trvalou väzbou. Ak v prírode dôjde k veľkému zjednoteniu, existuje možnosť éry veľkého zjednotenia v ranom vesmíre, v ktorom sa základné sily ešte nelíšia.
Grand Unified Theory v skratke
Modely, ktoré nezjednocujú všetky interakcie pomocou jednej jednoduchej skupiny ako mernej symetrie, robia tak pomocou polojednoduchých skupín, môžu vykazovať podobné vlastnosti a niekedy sa nazývajú aj teórie veľkého zjednotenia.
Kombinácia gravitácie s ostatnými tromi silami by poskytla skôr teóriu všetkého (OO) než GUT. GUT sa však často považuje za medzikrok smerom k OO. Toto všetko sú charakteristické myšlienky pre veľké teórie zjednotenia a superzjednotenia.
Očakáva sa, že nové častice predpovedané modelmi GUT budú mať hmotnosti okolo stupnice GUT – len niekoľko rádov pod Planckovou stupnicou – a preto sú mimo dosahu pre akékoľvek navrhované experimenty so zrážačom častíc. Preto častice predpovedané modelmi GUT nemožno pozorovať priamo a namiesto toho možno efekty veľkého zjednotenia detegovať prostredníctvom nepriamych pozorovaní, ako je rozpad protónov, elektrické dipólové momenty elementárnych častíc alebo vlastnosti neutrín. Niektoré GUT, ako napríklad model Pati Salam, predpovedajú existenciu magnetických monopólov.
Charakteristiky modelov
Modely GUT, ktorých cieľom je byť úplne realistický, sú pomerne zložité, dokonca aj v porovnaní so štandardným modelom, pretože musia zavádzať ďalšie polia a interakcie alebo dokonca ďalšie dimenzie priestoru. Hlavný dôvod tejto zložitosti spočíva v ťažkostiach s reprodukciou pozorovaných fermionových hmotností a uhlov miešania, čo môže byť spôsobené existenciou niektorých ďalších rodinných symetrií mimo tradičných modelov GUT. Kvôli tejto obtiažnosti a absencii akéhokoľvek pozorovateľného efektu veľkého zjednotenia stále neexistuje všeobecne akceptovaný model GUT.
Historicky prvýskutočný GUT založený na jednoduchej Leeovej skupine SU navrhli Howard George a Sheldon Glashow v roku 1974. Georgi-Glashowovmu modelu predchádzal polojednoduchý Pati-Salamov model Lie algebry navrhnutý Abdusom Salamom a Jogeshom Patim, ktorí ako prví navrhli zjednocujúce interakcie meradiel.
História mien
Skratka GUT (GUT) bola prvýkrát vytvorená v roku 1978 výskumníkmi CERN-u John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard a Dmitry Nanopoulos, ale v konečnej verzii svojho článku si vybrali GUM (veľká zjednocovacia masa). Nanopoulos neskôr v tom istom roku ako prvý použil skratku v článku. Stručne povedané, na ceste k Veľkej zjednotenej teórii sa urobilo veľa práce.
Spoločnosť pojmov
Skratka SU sa používa na označenie teórií veľkého zjednotenia, na ktoré sa v tomto článku často odkazuje. Skutočnosť, že sa zdá, že elektrické náboje elektrónov a protónov sa navzájom rušia s extrémnou presnosťou, je nevyhnutná pre makroskopický svet, ako ho poznáme, ale táto dôležitá vlastnosť elementárnych častíc nie je vysvetlená v štandardnom modeli časticovej fyziky. Zatiaľ čo popis silných a slabých interakcií v štandardnom modeli je založený na meracích symetriách riadených jednoduchými skupinami symetrie SU(3) a SU(2), ktoré umožňujú iba diskrétne náboje, zostávajúca zložka, slabá interakcia hypernáboja, je opísaná abelovský U(1), ktorý v princípe umožňujesvojvoľné rozdelenie poplatkov.
Pozorovaná kvantizácia náboja, konkrétne skutočnosť, že všetky známe elementárne častice nesú elektrické náboje, ktoré sa zdajú byť presnými násobkami ⅓ elementárneho náboja, viedla k myšlienke, že by sa dali vybudovať interakcie hypernáboja a možno silné a slabé interakcie do jednej veľkej zjednotenej interakcie opísanej jednou väčšou jednoduchou symetrickou skupinou obsahujúcou štandardný model. To automaticky predpovedá kvantovanú povahu a hodnoty všetkých nábojov elementárnych častíc. Pretože to tiež vedie k predpovedi relatívnych síl základných interakcií, ktoré pozorujeme, najmä slabého uhla miešania, Grand Unification ideálne znižuje počet nezávislých vstupov, ale je tiež obmedzený na pozorovania. Akokoľvek univerzálna sa môže zdať veľká zjednotená teória, knihy o nej nie sú veľmi populárne.
Georgie-Glasgow Theory (SU (5))
Veľké zjednotenie pripomína zjednotenie elektrických a magnetických síl v Maxwellovej teórii elektromagnetizmu v 19. storočí, ale jeho fyzikálny význam a matematická štruktúra sú kvalitatívne odlišné.
Nie je však zrejmé, že najjednoduchšou možnou voľbou pre rozšírenú veľkú zjednotenú symetriu je vytvorenie správnej sady elementárnych častíc. Skutočnosť, že všetky v súčasnosti známe častice hmoty dobre zapadajú do troch najmenších teórií reprezentácie skupín SU(5) a okamžite nesú správne pozorovateľné náboje, je jednou z prvých anajdôležitejšie dôvody, prečo ľudia veria, že veľkú zjednotenú teóriu možno skutočne realizovať v prírode.
Dve najmenšie neredukovateľné reprezentácie SU(5) sú 5 a 10. V štandardnej notácii obsahuje 5 nábojové konjugáty pravostranného farebného tripletu dole a ľavo-ľavého izospinového dubletu, zatiaľ čo 10 obsahuje šesť zložiek kvarku up-typu, vyfarbi triplet ľavostranného kvarku down-typu a pravotočivý elektrón. Táto schéma musí byť reprodukovaná pre každú z troch známych generácií hmoty. Je pozoruhodné, že teória neobsahuje anomálie s týmto obsahom.
Hypotetické pravotočivé neutrína sú singletom SU(5), čo znamená, že jeho hmotnosť nie je zakázaná žiadnou symetriou; nepotrebuje spontánne narušiť symetriu, čo vysvetľuje, prečo bude jeho hmotnosť veľká.
Tu je zjednotenie hmoty ešte kompletnejšie, keďže neredukovateľné spinorové zobrazenie 16 obsahuje 5 aj 10 SU(5) a pravotočivých neutrínov, a teda celkový obsah častíc jednej generácie rozšírený štandardný model o hmotnosti neutrín. Toto je už najväčšia jednoduchá skupina, ktorá dosahuje zjednotenie hmoty v schéme, ktorá zahŕňa iba už známe častice hmoty (okrem Higgsovho sektora).
Pretože rôzne štandardné modelové fermióny sú zoskupené do väčších reprezentácií, GUT špecificky predpovedajú vzťahy medzi hmotami fermiónov, ako napríklad medzi elektrónom adown kvark, mión a podivný kvark a tau leptón a down kvark pre SU(5). Niektoré z týchto hmotnostných pomerov sú približné, ale väčšina nie.
SO(10) teória
Bosonická matica pre SO(10) sa nájde tak, že sa vezme matica 15×15 reprezentujúca 10 + 5 SU(5) a pridá sa ďalší riadok a stĺpec pre pravé neutríno. Bozóny možno nájsť pridaním partnera ku každému z 20 nabitých bozónov (2 pravé W bozóny, 6 masívnych nabitých gluónov a 12 bozónov typu X/Y) a pridaním extra ťažkého neutrálneho Z bozónu, čím vznikne 5 neutrálnych bozónov. Bozónová matica bude mať v každom riadku a stĺpci bozón alebo jeho nového partnera. Tieto páry sa kombinujú a vytvárajú známe 16D Diracove spinové matice SO(10).
Štandardný model
Nechirálne rozšírenia štandardného modelu s vektorovými spektrami rozdelených multipletových častíc, ktoré sa prirodzene objavujú vo vyšších SU(N) GUT, výrazne menia fyziku púšte a vedú k realistickému (riadkovému) veľkému zjednoteniu pre obvyklé tri kvark-leptóny rodiny aj bez použitia supersymetrie (pozri nižšie). Na druhej strane, v dôsledku objavenia sa nového chýbajúceho mechanizmu VEV, ktorý sa objavuje v supersymetrickom SU(8) GUT, možno nájsť súčasné riešenie problému hierarchie meradla (rozdelenie dvojitého-tripletového rozdelenia) a problému zjednotenia chuti.
Iné teórie a elementárne častice
GUT so štyrmi rodinami/generáciami, SU(8): za predpokladu, že 4 generácie fermiónov namiesto 3 generujú celkovo 64 typov častíc. Môžu byť umiestnené v 64=8 + 56 SU(8) reprezentáciách. Toto možno rozdeliť na SU(5) × SU(3) F × U(1), čo je teória SU(5), spolu s niektorými ťažkými bozónmi, ktoré ovplyvňujú počet generácie.
GUT so štyrmi rodinami/generáciami, O(16): Opäť, za predpokladu, že 4 generácie fermiónov, 128 častíc a antičastíc sa zmestí do jednej reprezentácie spinora O(16). Všetky tieto veci boli objavené na ceste k veľkej zjednotenej teórii.
