Grand Unified Theory (GUT, GUT eller GUT - alle tre forkortelser vil blive brugt i artiklen) er en model i partikelfysik, hvor ved høj energi de tre gauge-interaktioner af standardmodellen bestemmer den elektromagnetiske, svage og stærke vekselvirkninger eller kræfter kombineres til én enkelt kraft. Denne kombinerede vekselvirkning er karakteriseret ved én symmetri med større gauge, og derfor flere bærekræfter, men én permanent binding. Hvis en storslået forening finder sted i naturen, er der mulighed for en storslået foreningsæra i det tidlige univers, hvor de grundlæggende kræfter endnu ikke er anderledes.
Grand Unified Theory kort fort alt
Modeller, der ikke forener alle interaktioner ved hjælp af en simpel gruppe som målersymmetri, gør det ved hjælp af semisimple grupper, kan udvise lignende egenskaber og kaldes nogle gange også store foreningsteorier.
Kombinering af tyngdekraften med de tre andre kræfter ville give en teori om alting (OO) snarere end en GUT. GUT ses dog ofte som et mellemtrin mod OO. Disse er alle karakteristiske ideer for de store teorier om forening og superforening.
De nye partikler forudsagt af GUT-modellerne forventes at have masser omkring GUT-skalaen - kun et par størrelsesordener under Planck-skalaen - og derfor uden for rækkevidde for eventuelle foreslåede partikelkollider-eksperimenter. Derfor kan partikler forudsagt af GUT-modeller ikke observeres direkte, og i stedet kan store foreningseffekter detekteres gennem indirekte observationer såsom protonhenfald, elementærpartiklers elektriske dipolmomenter eller neutrinoegenskaber. Nogle GUT'er, såsom Pati Salam-modellen, forudsiger eksistensen af magnetiske monopoler.
Karakteristik af modeller
GUT-modeller, som sigter mod at være fuldstændig realistiske, er ret komplekse, selv sammenlignet med standardmodellen, fordi de skal introducere yderligere felter og interaktioner, eller endda yderligere dimensioner af rummet. Hovedårsagen til denne kompleksitet ligger i vanskeligheden ved at reproducere de observerede fermionmasser og blandingsvinkler, hvilket kan skyldes eksistensen af nogle yderligere familiesymmetrier uden for de traditionelle GUT-modeller. På grund af denne vanskelighed og fraværet af nogen observerbar storslået foreningseffekt er der stadig ingen generelt accepteret GUT-model.
Historisk førsten ægte GUT baseret på Lees simple SU-gruppe blev foreslået af Howard George og Sheldon Glashow i 1974. Georgi-Glashow-modellen blev forudgået af den semisimple Lie-algebra Pati-Salam-model foreslået af Abdus Salam og Jogesh Pati, som først foreslog samlende måleinteraktioner.
Navnehistorik
Forkortelsen GUT (GUT) blev først opfundet i 1978 af CERN-forskerne John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard og Dmitry Nanopoulos, men i den endelige version af deres artikel valgte de GUM (stor samlingsmasse). Nanopoulos var senere samme år den første til at bruge akronymet i en artikel. Kort sagt, meget arbejde er blevet gjort på vejen til Grand Unified Theory.
Fælles for begreber
Forkortelsen SU bruges til at henvise til store foreningsteorier, som der ofte vil blive henvist til i denne artikel. Det faktum, at de elektriske ladninger af elektroner og protoner ser ud til at udligne hinanden med ekstrem præcision, er afgørende for den makroskopiske verden, som vi kender den, men denne vigtige egenskab ved elementarpartikler er ikke forklaret i standardmodellen for partikelfysik. Mens beskrivelsen af de stærke og svage interaktioner i standardmodellen er baseret på gaugesymmetrier styret af simple SU(3) og SU(2) symmetrigrupper, der kun tillader diskrete ladninger, er den resterende komponent, den svage hyperladningsinteraktion, beskrevet af den abelske U(1), som i princippet tilladervilkårlig fordeling af afgifter.
Den observerede ladningskvantisering, nemlig det faktum, at alle kendte elementarpartikler bærer elektriske ladninger, der ser ud til at være nøjagtige multipla af ⅓ af den elementære ladning, førte til ideen om, at hyperladningsinteraktioner og muligvis stærke og svage interaktioner kunne opbygges i én storslået forenet interaktion beskrevet af en større simpel symmetrigruppe, der indeholder standardmodellen. Dette vil automatisk forudsige den kvantificerede natur og værdier af alle ladninger af elementære partikler. Fordi det også fører til en forudsigelse af de relative styrker af de underliggende interaktioner, vi observerer, især den svage blandingsvinkel, reducerer Grand Unification ideelt set antallet af uafhængige input, men er også begrænset til observationer. Hvor universel den store forenede teori end kan virke, er bøger om den ikke særlig populære.
Georgie-Glasgow Theory (SU (5))
Den store forening minder om foreningen af elektriske og magnetiske kræfter i Maxwells teori om elektromagnetisme i det 19. århundrede, men dens fysiske betydning og matematiske struktur er kvalitativt anderledes.
Det er dog ikke indlysende, at det enklest mulige valg for den udvidede store forenede symmetri er at producere det korrekte sæt af elementarpartikler. Det faktum, at alle aktuelt kendte partikler af stof passer godt ind i de tre mindste SU(5)-grupperepræsentationsteorier og umiddelbart bærer de korrekte observerbare ladninger, er en af de første ogde vigtigste grunde til, at folk tror, at den store forenede teori faktisk kan realiseres i naturen.
De to mindste irreducerbare repræsentationer af SU(5) er 5 og 10. I standardnotationen indeholder 5 ladningskonjugaterne af en højrehåndet down-type farvetriplet og en venstre-venstreton isospin-dublet, mens 10 indeholder seks komponenter af en op-type kvark, farve en triplet af en venstrehåndet down-type kvark og en højrehåndet elektron. Dette skema skal gengives for hver af de tre kendte generationer af stof. Det er bemærkelsesværdigt, at teorien ikke indeholder anomalier med dette indhold.
Hypotetiske højrehåndede neutrinoer er en SU(5) singlet, hvilket betyder, at dens masse ikke er forbudt af nogen symmetri; den behøver ikke spontant at bryde symmetrien, hvilket forklarer hvorfor dens masse bliver stor.
Her er foreningen af stof endnu mere fuldstændig, eftersom den irreducible spinor-repræsentation 16 indeholder både 5 og 10 af SU(5) og højrehåndede neutrinoer, og dermed det samlede indhold af partikler i en generation af udvidet standardmodel med neutrinomasser. Dette er allerede den største simple gruppe, der opnår forening af stof i et skema, der kun omfatter allerede kendte partikler af stof (bortset fra Higgs-sektoren).
Fordi de forskellige standardmodelfermioner er grupperet i større repræsentationer, forudsiger GUT'er specifikt forhold mellem fermionmasser, såsom mellem en elektron ogdunkvark, muon og mærkelig kvark og tau lepton og dunkvark for SU(5). Nogle af disse masseforhold er omtrentlige, men de fleste gør det ikke.
SO(10) teori
Bosonisk matrix for SO(10) findes ved at tage en 15×15 matrix med 10 + 5 repræsentation af SU(5) og tilføje en ekstra række og kolonne for den højre neutrino. Bosonerne kan findes ved at tilføje en partner til hver af de 20 ladede bosoner (2 højre W bosoner, 6 massivt ladede gluoner og 12 X/Y type bosoner) og tilføje en ekstra tung neutral Z boson for at lave 5 neutrale bosoner. Den bosoniske matrix vil have en boson eller dens nye partner i hver række og kolonne. Disse par kombineres for at skabe de velkendte 16D Dirac-spinmatricer SO(10).
Standardmodel
Nonchirale udvidelser af standardmodellen med vektorspektre af splitte multiplet-partikler, der naturligt forekommer i højere SU(N) GUT'er ændrer markant ørkenfysikken og fører til realistisk (rækkeskala) storslået forening for de sædvanlige tre kvark-leptoner familier selv uden at bruge supersymmetri (se nedenfor). På den anden side, på grund af fremkomsten af en ny manglende VEV-mekanisme, der dukker op i den supersymmetriske SU(8) GUT, kan der findes en samtidig løsning på gauge-hierarkiproblemet (doublet-triplet-opdeling) og smagsforeningsproblemet.
Andre teorier og elementarpartikler
GUT med fire familier/generationer, SU(8): forudsat at 4 generationer af fermioner i stedet for 3 genererer i alt 64 partikeltyper. De kan placeres i 64=8 + 56 SU(8) repræsentationer. Dette kan opdeles i SU(5) × SU(3) F × U(1), som er SU(5)-teorien, sammen med nogle tunge bosoner, der påvirker generationstallet.
GUT med fire familier/generationer, O(16): Igen, hvis man antager 4 generationer af fermioner, kan 128 partikler og antipartikler passe ind i en enkelt O(16) spinorrepræsentation. Alle disse ting blev opdaget på vej til den store forenede teori.
