Теорії великого об’єднання (ГУТ, ГУТ або ТВО – всі три абревіатури будуть використовуватися в статті) – це модель у фізиці елементарних частинок, в якій при високій енергії три калібрувальних взаємодії стандартної моделі, які визначають електромагнітні, слабкі і сильні взаємодії або сили, об’єднуються в єдину силу. Це об’єднане взаємодія характеризується однією симетрією більшою калібрування і, отже, декількома несучими силами, але однієї постійної зв’язком. Якщо велике об’єднання реалізується в природі, існує ймовірність епохи великого об’єднання в ранній Всесвіту, в якій фундаментальні сили ще не різні.
Теорія великого об’єднання: коротко
Моделі, які не об’єднують всі взаємодії, використовуючи одну просту групу в якості калібрувальної симетрії, роблять це з використанням полупростых груп, можуть демонструвати аналогічні властивості і іноді також називаються великими теоріями об’єднання.
Об’єднання гравітації з трьома іншими взаємодіями забезпечило б теорію всього (ОО), а не ГУТ. Тим не менш GUT часто розглядаються як проміжний крок до ОО. Все це характерні ідеї для великих теорій об’єднання і суперобъединения.
Очікується, що нові частинки, передбачені моделями GUT, будуть мати маси навколо шкали GUT – всього на кілька порядків нижче шкали Планка – і тому недоступні для будь-яких передбачуваних експериментів на колайдері частинок. Отже, частки, передбачені за допомогою моделей GUT, не зможуть спостерігатися безпосередньо, і замість цього ефекти великого об’єднання можуть бути виявлені за допомогою непрямих спостережень, таких як розпад протона, електричні дипольні моменти елементарних частинок або властивості нейтрино. Деякі GUT, такі як модель Паті-Салама, передбачають існування магнітних монополів.
Характеристика моделей
Моделі GUT, які прагнуть бути повністю реалістичними, досить складні, навіть у порівнянні зі стандартною моделлю, тому що вони повинні вводити додаткові поля і взаємодії, або навіть додаткові виміри простору. Основна причина цієї складності полягає в труднощі відтворення спостережуваних мас фермионов і кутів змішання, що може бути пов’язано з існуванням деяких додаткових симетрій сімейства за межами традиційних моделей GUT. Із-за цього труднощі та відсутність будь-якого спостережуваного ефекту великого об’єднання досі не існує загальноприйнятої моделі GUT.
Історично перший справжній GUT, заснований на простій групі Чи SU, був запропонований Говардом Георгієм і Шелдоном Глэшоу в 1974 році. Моделі Георгі-Глэшоу передувала полупростая алгебра модель Паті-Салама, запропонована Абдусом Саламом і Джогешем Паті, які вперше запропонували об’єднати калібрувальні взаємодії.
Історія назви
Абревіатура GUT (ТВО) вперше була придумана в 1978 році дослідниками ЦЕРН Джоном Еллісом, Анджей Бурасом, Мері К. Гайард і Дмитром Нанопулосом, однак в остаточній версії своїй статті вони вибрали GUM (маса великого об’єднання). Nanopoulos пізніше в тому ж році був першим, хто використав абревіатуру в статті. Стисло кажучи, на шляху до теорії великого об’єднання була виконана маса роботи.
Спільність концепцій
Скорочення SU використовується для позначення теорій великого об’єднання, що часто буде згадуватися у цій статті. Той факт, що електричні заряди електронів і протонів, мабуть, взаємно компенсують один одного з граничною точністю, є суттєвим для макроскопічного світу, яким ми його знаємо, але це важлива властивість елементарних частинок не пояснюється в стандартній моделі фізики елементарних частинок. У той час як опис сильних і слабких взаємодій в стандартній моделі засновано на калібрувальних симметриях, керованих простими групами симетрій SU (3) і SU (2), які допускають тільки дискретні заряди, що залишилася компонента, взаємодія слабкого гіперзаряда, описується абелевой симетрією U (1), яка в принципі допускає довільне розподіл зарядів.
Спостережуване квантування заряду, а саме той факт, що всі відомі елементарні частинки несуть електричні заряди, які представляються точними кратними ⅓ елементарного заряду, привело до ідеї, що гиперзарядные взаємодії і, можливо, сильні і слабкі взаємодії можуть бути вбудовані в одне велике об’єднане взаємодія, описуване одній більшій простий групою симетрії, що містить стандартну модель. Це автоматично передбачить квантованную природу і значення всіх зарядів елементарних частинок. Оскільки це також призводить до прогнозу відносних сил основних взаємодій, які ми спостерігаємо, зокрема, до слабкого куті змішування, Grand Unification в ідеалі зменшує кількість незалежних вхідних параметрів, але також обмежується спостереженнями. Якою б універсальної не здавалася теорія великого об’єднання, книги по ній не надто популярні.
Теорія Джорджі-Глазгоу (SU (5))
Велике об’єднання нагадує об’єднання електричних і магнітних сил з теорії електромагнетизму Максвелла в XIX столітті, але його фізична значення та математична структура якісно відрізняються.
Однак не очевидно, що найпростіший можливий вибір для розширеної великої об’єднаної симетрії повинен дати правильний набір елементарних частинок. Той факт, що всі відомі в даний час частинки матерії добре вписуються в три найменших теорії групових уявлень SU (5) і відразу несуть правильні спостережувані заряди, є однією з перших і найбільш важливих причин, по яких люди вважають, що велика теорія об’єднання може насправді бути реалізованою в природі.
Двома найменшими неприводимыми уявленнями SU (5) є 5 і 10. У стандартному призначення 5 містить зарядовые кон’югати колірного триплету правостороннього кварка спадного типу і изоспинового дублету левонного левтона, в той час як 10 містить шість компонентів кварка висхідного типу, колірної триплет лівого кварка спадного типу і правобічний електрон. Ця схема повинна бути відтворена для кожного з трьох відомих поколінь матерії. Примітно, що теорія не містить аномалій з цим змістом.
Гіпотетичні правосторонні нейтрино є синглетом SU (5), що означає, що його маса не заборонена будь-якої симетрією; він не потребує мимовільному порушення симетрії, що пояснює, чому його маса буде великий.
Тут об’єднання матерії є ще більш повним, оскільки неприводимое спинорное подання 16 містить 5 і 10 з SU (5), так і правосторонній нейтрино, і, таким чином, повне утримання частинок одного покоління розширеної стандартної моделі з нейтринні маси. Це вже найбільша проста група, яка досягає об’єднання матерії в схемі, що включає тільки вже відомі частинки матерії (крім сектора Хіггса).
Оскільки різні стандартні модельні ферміони згруповані в більш великі вистави, GUT спеціально передбачають відносини між масами фермионов, такими як між електроном і нижнім кварком, мюоном і дивним кварком, а також тау-лептоном і нижнім кварком для SU (5). Деякі з цих масових співвідношень виконуються приблизно, але більшість цього не роблять.
Теорія SO (10)
Бозонная матриця для SO (10) знаходиться шляхом взяття матриці 15 × 15 10 + 5 уявлення SU (5) і додавання додаткового рядка і стовпця для правого нейтрино. Бозони можна знайти, додавши партнера до кожного з 20 заряджених бозонів (2 правих W-бозона, 6 масивних заряджених глюонов і 12 бозонів типу X/Y) і додавши додатковий важкий нейтральний Z-бозон, щоб зробити 5 нейтральних бозонів. Бозонная матриця буде мати бозон або його нового партнера у кожному рядку і стовпці. Ці пари об’єднуються, щоб створити знайомі 16D дираковские спінорно матриці SO (10).
Стандартна модель
Нехиральные розширення стандартної моделі з векторними спектрами розщеплених мультиплетных частинок, які природним чином з’являються у вищих SU (N) GUT, значно змінюють фізику пустелі і призводять до реалістичного (в масштабі рядка) великому об’єднанню для звичайних трьох кварк-лептонных сімейств навіть без використання суперсиметрії (див. нижче). З іншого боку, завдяки появі нового відсутнього механізму VEV, що виникає в суперсимметричной SU (8) GUT, може бути знайдено одночасне вирішення проблеми калібрувальної ієрархії (дублет-триплетное розщеплення) і проблеми об’єднання аромату.
Інші теорії та елементарні частинки
GUT з чотирма родинами/поколіннями, SU (8): припускаючи, що 4 покоління фермионов замість 3 утворюють в цілому 64 типу частинок. Їх можна помістити в 64 = 8 + 56 подань SU (8). Це можна поділити на SU (5) × SU (3) F × U (1), яка є теорією SU (5), разом з деякими важкими частинками, які впливають на число генерації.
GUT з чотирма родинами/поколіннями, O (16): знову ж таки, припускаючи 4 покоління фермионов, 128 частинок і античастинок можна помістити в одне спинорное подання O (16). Всі ці речі були відкриті на шляху до теорії великого об’єднання.
