Grand Unified Theory (GUT, GUT eller GUT - alla tre förkortningarna kommer att användas i artikeln) är en modell inom partikelfysik där, vid hög energi, de tre gauge-interaktionerna i standardmodellen som bestämmer den elektromagnetiska, svaga och starka interaktioner eller krafter kombineras till en enda kraft. Denna kombinerade interaktion kännetecknas av en symmetri med större gauge, och därför flera bärkrafter, men en permanent bindning. Om en storslagen förening sker i naturen, finns det en möjlighet till en storslagen föreningsepok i det tidiga universum där de grundläggande krafterna ännu inte är olika.
Grand Unified Theory i korthet
Modeller som inte förenar alla interaktioner med en enkel grupp som mätsymmetri, gör det med hjälp av semisenkla grupper, kan uppvisa liknande egenskaper och kallas ibland även stora föreningsteorier.
Att kombinera gravitation med de andra tre krafterna skulle ge en teori om allt (OO) snarare än en GUT. GUT ses dock ofta som ett mellansteg mot OO. Dessa är alla karaktäristiska idéer för de stora teorierna om enande och överförening.
De nya partiklarna som förutspås av GUT-modellerna förväntas ha massor runt GUT-skalan - bara några storleksordningar under Planck-skalan - och därför utom räckhåll för alla föreslagna partikelkolliderexperiment. Därför kan partiklar som förutsägs av GUT-modeller inte observeras direkt, och istället kan stora sammanslagningseffekter detekteras genom indirekta observationer som protonsönderfall, elementära partiklars elektriska dipolmoment eller neutrinoegenskaper. Vissa GUT, som Pati Salam-modellen, förutspår förekomsten av magnetiska monopoler.
Modellers egenskaper
GUT-modeller, som syftar till att vara helt realistiska, är ganska komplexa, även jämfört med standardmodellen, eftersom de måste introducera ytterligare fält och interaktioner, eller till och med ytterligare dimensioner av utrymme. Huvudorsaken till denna komplexitet ligger i svårigheten att reproducera de observerade fermionmassorna och blandningsvinklarna, vilket kan bero på att det finns några ytterligare familjesymmetrier utanför de traditionella GUT-modellerna. På grund av denna svårighet och avsaknaden av någon observerbar effekt av storslagen enande, finns det fortfarande ingen allmänt accepterad GUT-modell.
Historiskt försten sann GUT baserad på Lees enkla SU-grupp föreslogs av Howard George och Sheldon Glashow 1974. Georgi-Glashow-modellen föregicks av den halvenkla Lie-algebra Pati-Salam-modellen som föreslagits av Abdus Salam och Jogesh Pati, som först föreslog förenande mätinteraktioner.
Namnhistorik
Förkortningen GUT (GUT) myntades första gången 1978 av CERN-forskarna John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard och Dmitry Nanopoulos, men i den slutliga versionen av deras artikel valde de GUM (great unification mass). Nanopoulos var senare samma år den första som använde förkortningen i en artikel. Kort sagt, mycket arbete har gjorts på vägen till Grand Unified Theory.
gemensamma begrepp
Förkortningen SU används för att referera till teorier om stora enande, som kommer att hänvisas till ofta i den här artikeln. Det faktum att de elektriska laddningarna av elektroner och protoner verkar ta ut varandra med extrem precision är väsentligt för den makroskopiska världen som vi känner den, men denna viktiga egenskap hos elementarpartiklar förklaras inte i standardmodellen för partikelfysik. Medan beskrivningen av de starka och svaga interaktionerna i standardmodellen är baserad på gaugesymmetrier som styrs av enkla SU(3) och SU(2) symmetrigrupper som endast tillåter diskreta laddningar, beskrivs den återstående komponenten, den svaga hyperladdningsinteraktionen, av den Abeliska U(1), som i princip tillåtergodtycklig fördelning av avgifter.
Den observerade laddningskvantiseringen, nämligen det faktum att alla kända elementarpartiklar bär elektriska laddningar som verkar vara exakta multiplar av ⅓ av elementarladdningen, ledde till idén att hyperladdningsinteraktioner och möjligen starka och svaga interaktioner kunde byggas till en storslagen enhetlig interaktion som beskrivs av en större enkel symmetrigrupp som innehåller standardmodellen. Detta kommer automatiskt att förutsäga den kvantiserade naturen och värdena för alla laddningar av elementarpartiklar. Eftersom det också leder till en förutsägelse av de relativa styrkorna hos de underliggande interaktionerna vi observerar, i synnerhet den svaga blandningsvinkeln, reducerar Grand Unification idealiskt antalet oberoende ingångar, men är också begränsad till observationer. Hur universell den stora enhetliga teorin än kan verka är böcker om den inte särskilt populära.
Georgie-Glasgow Theory (SU (5))
Den storslagna föreningen påminner om föreningen av elektriska och magnetiska krafter i Maxwells teori om elektromagnetism på 1800-talet, men dess fysiska betydelse och matematiska struktur är kvalitativt olika.
Det är dock inte uppenbart att det enklaste möjliga valet för den utökade stora förenade symmetrin är att producera rätt uppsättning elementarpartiklar. Det faktum att alla för närvarande kända partiklar av materia passar väl in i de tre minsta SU(5) grupprepresentationsteorierna och omedelbart bär de korrekta observerbara laddningarna är en av de första ochde viktigaste anledningarna till att människor tror att den stora förenade teorin faktiskt kan förverkligas i naturen.
De två minsta irreducerbara representationerna av SU(5) är 5 och 10. I standardnotationen innehåller 5 laddningskonjugaten för en högerhänt färgtriplett och en vänster-vänstertons isospin-dubbel, medan 10 innehåller sex komponenter av en kvark av upptyp, färg en triplett av en kvark av vänsterhänt nedtyp och en högerhänt elektron. Detta schema måste reproduceras för var och en av de tre kända generationerna av materia. Det är anmärkningsvärt att teorin inte innehåller anomalier med detta innehåll.
Hypotetiska högerhänta neutrinos är en SU(5) singlett, vilket betyder att dess massa inte är förbjuden av någon symmetri; den behöver inte spontant bryta symmetri, vilket förklarar varför dess massa blir stor.
Här är föreningen av materia ännu mer fullständig, eftersom den irreducibla spinorrepresentationen 16 innehåller både 5 och 10 av SU(5) och högerhänta neutriner, och därmed det totala innehållet av partiklar i en generation av utökad standardmodell med neutrinomassor. Detta är redan den största enkla gruppen som uppnår enande av materia i ett schema som bara inkluderar redan kända partiklar av materia (förutom Higgs-sektorn).
Eftersom de olika standardmodellfermionerna är grupperade i större representationer, förutsäger GUT specifikt samband mellan fermionmassor, såsom mellan en elektron ochdunkvark, myon och märklig kvark, och taulepton och dunkvark för SU(5). Vissa av dessa massförhållanden är ungefärliga, men de flesta gör det inte.
SO(10) teori
Bosonmatrisen för SO(10) hittas genom att ta en 15×15-matris med 10 + 5 representation av SU(5) och lägga till en extra rad och kolumn för den högra neutrinon. Bosonerna kan hittas genom att lägga till en partner till var och en av de 20 laddade bosonerna (2 högra W-bosoner, 6 massiva laddade gluoner och 12 X/Y-bosoner) och lägga till en extra tung neutral Z-boson för att göra 5 neutrala bosoner. Den bosoniska matrisen kommer att ha en boson eller dess nya partner i varje rad och kolumn. Dessa par kombineras för att skapa de välbekanta 16D Dirac-spinmatriserna SO(10).
Standardmodell
Icke-kirala förlängningar av standardmodellen med vektorspektra av delade multiplettpartiklar som naturligt förekommer i högre SU(N) GUTs förändrar markant ökenfysiken och leder till realistisk (radskala) storslagen förening för de vanliga tre kvark-leptonerna familjer även utan att använda supersymmetri (se nedan). Å andra sidan, på grund av uppkomsten av en ny saknad VEV-mekanism som dyker upp i den supersymmetriska SU(8) GUT, kan en samtidig lösning på mätarhierarkiproblemet (dubbel-triplettuppdelning) och smakföreningsproblemet hittas.
Andra teorier och elementarpartiklar
GUT med fyra familjer/generationer, SU(8): antar att 4 generationer fermioner istället för 3 genererar tot alt 64 partikeltyper. De kan placeras i 64=8 + 56 SU(8) representationer. Detta kan delas in i SU(5) × SU(3) F × U(1), vilket är SU(5)-teorin, tillsammans med några tunga bosoner som påverkar generationstalet.
GUT med fyra familjer/generationer, O(16): Återigen, om vi antar 4 generationer fermioner, kan 128 partiklar och antipartiklar passa in i en enda O(16) spinorrepresentation. Alla dessa saker upptäcktes på vägen till den stora förenade teorin.
