Didžioji vieninga teorija (GUT, GUT arba GUT – straipsnyje bus naudojamos visos trys santrumpos) yra dalelių fizikos modelis, kuriame esant didelei energijai trys standartinio modelio matuokliai, lemiantys elektromagnetinį, silpna ir stipri sąveika arba jėgos yra sujungtos į vieną jėgą. Šiai kombinuotai sąveikai būdinga viena didesnio gabarito simetrija, taigi kelios nešiklio jėgos, tačiau viena nuolatinė jungtis. Jei gamtoje įvyksta didysis susivienijimas, ankstyvojoje visatoje gali atsirasti didžiojo susivienijimo era, kurioje pagrindinės jėgos dar nesiskiria.
Didžioji vieninga teorija trumpai
Modeliai, kurie nesuvienija visų sąveikų naudojant vieną paprastą grupę kaip matuoklio simetriją, tai daro naudojant pusiau paprastas grupes, gali turėti panašių savybių ir kartais dar vadinami didžiosiomis suvienodinimo teorijomis.
Sujungus gravitaciją su kitomis trimis jėgomis, būtų sukurta visko teorija (OO), o ne GUT. Tačiau GUT dažnai vertinamas kaip tarpinis žingsnis link OO. Visa tai yra būdingos idėjos didžiosioms suvienijimo ir supervienijimo teorijoms.
Tikimasi, kad naujų dalelių, numatytų GUT modelių, masės bus maždaug GUT skalėje – vos keliomis eilėmis žemiau Planko skalės – ir todėl jos nepasiekiamos jokiems siūlomiems dalelių greitintuvo eksperimentams. Todėl GUT modeliais nuspėjamų dalelių negalima stebėti tiesiogiai, o netiesioginiais stebėjimais, tokiais kaip protonų skilimas, elementariųjų dalelių elektriniai dipolio momentai ar neutrinų savybės, gali būti aptiktas didysis suvienijimo efektas. Kai kurie GUT, pvz., Pati Salam modelis, numato magnetinių monopolių egzistavimą.
Modelių charakteristikos
GUT modeliai, kurie siekia būti visiškai tikroviški, yra gana sudėtingi, net lyginant su standartiniu modeliu, nes jie turi įvesti papildomus laukus ir sąveikas ar net papildomus erdvės matmenis. Pagrindinė šio sudėtingumo priežastis yra sunkumai atkuriant pastebėtas fermionų mases ir maišymo kampus, kuriuos gali lemti kai kurios papildomos šeimos simetrijos už tradicinių GUT modelių ribų. Dėl šio sunkumo ir dėl to, kad nėra jokio pastebimo didelio suvienijimo efekto, vis dar nėra visuotinai priimto GUT modelio.
Pirmiausia istoriškaitikrą GUT, pagrįstą paprasta Lee SU grupe, 1974 m. pasiūlė Howardas George'as ir Sheldonas Glashowas. Prieš Georgi-Glashow modelį buvo sukurtas pusiau paprastas Lie algebros Pati-Salam modelis, kurį pasiūlė Abdusas Salamas ir Jogeshas Pati, kuris pirmasis pasiūlė vienijančias matuoklio sąveikas.
Vardų istorija
Santrumpą GUT (GUT) 1978 m. pirmą kartą sukūrė CERN mokslininkai Johnas Ellisas, Andrzej Buras, Mary C. Gayard ir Dmitry Nanopoulos, tačiau galutinėje savo straipsnio versijoje jie pasirinko GUM (didžiąją suvienijimo masę). Nanopoulos vėliau tais metais buvo pirmasis, kuris straipsnyje panaudojo akronimą. Trumpai tariant, buvo atlikta daug darbo siekiant Didžiosios vieningos teorijos.
Sąvokų bendrumas
Santrumpa SU vartojama nurodant didžiąsias suvienodinimo teorijas, kurios bus dažnai minimos šiame straipsnyje. Tai, kad atrodo, kad elektronų ir protonų elektriniai krūviai itin tiksliai panaikina vienas kitą, yra būtinas mums žinomam makroskopiniam pasauliui, tačiau ši svarbi elementariųjų dalelių savybė nėra paaiškinta standartiniame dalelių fizikos modelyje. Nors stipriosios ir silpnosios sąveikos aprašymas standartiniame modelyje yra pagrįstas matuoklio simetrija, kurią valdo paprastos SU(3) ir SU(2) simetrijos grupės, leidžiančios tik atskirus krūvius, o likusioji sudedamoji dalis, silpnoji hiperkrūvio sąveika, yra aprašyta Abelio U(1), kuris iš esmės leidžiasavavališkas mokesčių paskirstymas.
Pastebėtas krūvio kvantavimas, būtent tai, kad visos žinomos elementarios dalelės turi elektros krūvius, kurie, atrodo, yra tikslūs ⅓ elementaraus krūvio kartotiniai, paskatino idėją, kad galima sukurti hiperkrūvio sąveiką ir galbūt stiprią bei silpną sąveiką. į vieną didelę vieningą sąveiką, aprašytą viena didesne paprastos simetrijos grupe, kurioje yra standartinis modelis. Tai automatiškai nuspės visų elementariųjų dalelių krūvių kvantuotą pobūdį ir vertes. Kadangi tai taip pat leidžia nuspėti santykinį mūsų stebimų sąveikų stiprumą, ypač silpną maišymo kampą, „Grand Unification“idealiai sumažina nepriklausomų įvesties skaičių, bet taip pat apsiriboja stebėjimais. Kad ir kaip atrodytų universali didžioji vieninga teorija, knygos apie ją nėra labai populiarios.
Georgie-Glasgow teorija (SU (5))
Didysis suvienijimas primena elektrinių ir magnetinių jėgų susijungimą Maksvelo elektromagnetizmo teorijoje XIX amžiuje, tačiau jo fizinė reikšmė ir matematinė struktūra skiriasi kokybiškai.
Tačiau nėra akivaizdu, kad paprasčiausias įmanomas išplėstinės didžiosios vieningos simetrijos pasirinkimas yra sukurti teisingą elementariųjų dalelių rinkinį. Tai, kad visos šiuo metu žinomos materijos dalelės puikiai tinka trims mažiausios SU(5) grupės vaizdavimo teorijoms ir iš karto turi teisingus stebimus krūvius, yra vienas iš pirmųjų irsvarbiausios priežastys, kodėl žmonės tiki, kad didžioji vieninga teorija iš tikrųjų gali būti įgyvendinta gamtoje.
Du mažiausi nesumažinami SU(5) atvaizdai yra 5 ir 10. Standartiniame žymėjime 5 yra dešiniojo žemyn tipo spalvų tripleto ir kairiojo kairiojo izospino dubleto krūvio konjugatai, o 10 Jame yra šeši aukštesniojo tipo kvarko komponentai, spalvoto kairiojo žemyn tipo kvarko tripletas ir dešiniarankis elektronas. Ši schema turi būti atkurta kiekvienai iš trijų žinomų materijos kartų. Pažymėtina, kad teorijoje nėra šio turinio anomalijų.
Hipotetiniai dešiniarankiai neutrinai yra SU(5) singletas, o tai reiškia, kad jo masės nedraudžia jokia simetrija; jam nereikia spontaniškai nutraukti simetrijos, o tai paaiškina, kodėl jo masė bus didelė.
Čia materijos suvienijimas yra dar išsamesnis, nes neredukuojamo suktuko vaizde 16 yra ir 5, ir 10 SU(5) ir dešiniarankių neutrinų, taigi ir bendras vienos kartos dalelių kiekis. išplėstinis standartinis modelis su neutrinų masėmis. Tai jau didžiausia paprasta grupė, kuri pasiekia materijos suvienijimą pagal schemą, apimančią tik jau žinomas medžiagos daleles (išskyrus Higgso sektorių).
Kadangi įvairūs standartinio modelio fermionai yra sugrupuoti į didesnes reprezentacijas, GUT konkrečiai numato ryšius tarp fermionų masių, pvz., tarp elektronų irpūkų kvarkas, miuonas ir keistas kvarkas bei tau leptonas ir pūkų kvarkas SU(5). Kai kurie iš šių masės santykių yra apytiksliai, bet dauguma ne.
SO(10) teorija
SO(10) bozoninė matrica randama paėmus 15 × 15 matricą iš 10 + 5 SU(5) ir pridedant papildomą eilutę bei stulpelį dešiniajam neutrinui. Bozonus galima rasti pridedant po partnerį prie kiekvieno iš 20 įkrautų bozonų (2 dešinieji W bozonai, 6 masyvūs įkrauti gliuonai ir 12 X/Y tipo bozonų) ir pridedant ypač sunkų neutralų Z bozoną, kad susidarytų 5 neutralūs bozonai. Bozono matrica kiekvienoje eilutėje ir stulpelyje turės bozoną arba jo naują partnerį. Šios poros susijungia ir sukuria pažįstamas 16D Dirac sukimosi matricas SO(10).
Standartinis modelis
Nechiraliniai standartinio modelio išplėtimai su suskaidytų dalelių vektoriniais spektrais, kurie natūraliai atsiranda aukštesniuose SU(N) GUT, žymiai pakeičia dykumos fiziką ir veda prie tikroviško (eilių masto) didžiojo įprastų trijų kvarkų-leptonų suvienijimo. šeimos net nenaudojant supersimetrijos (žr. toliau). Kita vertus, dėl to, kad supersimetriniame SU(8) GUT atsiranda naujas trūkstamas VEV mechanizmas, galima rasti tuo pačiu metu matuoklio hierarchijos problemos (dvigubo-tripleto padalijimo) ir skonio suvienodinimo problemos sprendimą.
Kitos teorijos ir elementariosios dalelės
GUT su keturiomis šeimomis/kartomis, SU(8): darant prielaidą, kad 4 fermionų kartos vietoj 3 generuoja iš viso 64 dalelių tipus. Jie gali būti pateikiami 64=8 + 56 SU(8) atvaizduose. Tai galima suskirstyti į SU(5) × SU(3) F × U(1), kuri yra SU(5) teorija, kartu su kai kuriais sunkiaisiais bozonais, turinčiais įtakos kartos skaičiui.
GUT su keturiomis šeimomis / kartomis, O(16): Vėlgi, darant prielaidą, kad 4 fermionų kartos, 128 dalelės ir antidalelės gali tilpti į vieną O(16) spinoro atvaizdą. Visi šie dalykai buvo atrasti kelyje į didžiąją vieningą teoriją.
