Grand Unified Theory (GUT, GUT nebo GUT - v článku budou použity všechny tři zkratky) je model ve fyzice částic, ve kterém při vysoké energii tři kalibrační interakce standardního modelu, které určují elektromagnetické, slabé a silné interakce nebo síly jsou spojeny do jedné jediné síly. Tato kombinovaná interakce je charakterizována jednou symetrií většího rozměru, a tedy několika nosnými silami, ale jednou trvalou vazbou. Pokud v přírodě dojde k velkému sjednocení, existuje možnost éry velkého sjednocení v raném vesmíru, ve kterém se základní síly ještě neliší.
Velká sjednocená teorie ve zkratce
Modely, které nesjednocují všechny interakce pomocí jedné jednoduché skupiny jako měřicí symetrie, činí tak pomocí polojednoduchých grup, mohou vykazovat podobné vlastnosti a někdy se jim také říká teorie velkého sjednocení.
Kombinace gravitace s ostatními třemi silami by poskytla teorii všeho (OO) spíše než GUT. GUT je však často vnímán jako mezikrok směrem k OO. To vše jsou charakteristické myšlenky pro velké teorie sjednocení a superunifikace.
Očekává se, že nové částice předpovězené modely GUT budou mít hmotnosti kolem stupnice GUT - jen několik řádů pod Planckovou stupnicí - a proto jsou mimo dosah pro jakékoli navrhované experimenty s urychlovačem částic. Částice předpovězené modely GUT proto nelze pozorovat přímo a místo toho lze účinky velkého sjednocení detekovat prostřednictvím nepřímých pozorování, jako je rozpad protonu, elektrické dipólové momenty elementárních částic nebo vlastnosti neutrin. Některé GUT, jako je model Pati Salam, předpovídají existenci magnetických monopólů.
Charakteristiky modelů
Modely GUT, které se snaží být zcela realistické, jsou poměrně složité, dokonce i ve srovnání se standardním modelem, protože musí zavádět další pole a interakce nebo dokonce další rozměry prostoru. Hlavní důvod této složitosti spočívá v obtížnosti reprodukce pozorovaných fermionových hmot a úhlů míšení, což může být způsobeno existencí některých dalších rodinných symetrií mimo tradiční modely GUT. Kvůli této obtížnosti a absenci jakéhokoli pozorovatelného efektu velkého sjednocení stále neexistuje žádný obecně přijímaný model GUT.
Historicky prvnískutečný GUT založený na Leeově jednoduché skupině SU navrhl Howard George a Sheldon Glashow v roce 1974. Georgi-Glashowovu modelu předcházela polojednoduchá Lieova algebra Pati-Salamův model navržený Abdusem Salamem a Jogeshem Patim, kteří jako první navrhli sjednocující interakce měřidel.
Historie jmen
Zkratka GUT (GUT) byla poprvé vytvořena v roce 1978 výzkumníky CERNu Johnem Ellisem, Andrzejem Burasem, Mary C. Gayardovou a Dmitrijem Nanopoulosem, ale v konečné verzi svého článku zvolili GUM (velká sjednocení masy). Nanopoulos později ten rok byl první, kdo použil zkratku v článku. Stručně řečeno, na cestě k Velké sjednocené teorii bylo vykonáno mnoho práce.
Společnost pojmů
Zkratka SU se používá k označení teorií velkého sjednocení, na které se v tomto článku často odkazuje. Skutečnost, že se zdá, že elektrické náboje elektronů a protonů se navzájem ruší s extrémní přesností, je zásadní pro makroskopický svět, jak jej známe, ale tato důležitá vlastnost elementárních částic není ve standardním modelu částicové fyziky vysvětlena. Zatímco popis silných a slabých interakcí ve standardním modelu je založen na kalibračních symetriích řízených jednoduchými skupinami symetrie SU(3) a SU(2), které umožňují pouze diskrétní náboje, zbývající složka, slabá interakce hypernáboje, je popsána abelovský U(1), který v principu umožňujelibovolné rozdělení poplatků.
Pozorovaná kvantizace náboje, konkrétně skutečnost, že všechny známé elementární částice nesou elektrické náboje, které se zdají být přesnými násobky ⅓ elementárního náboje, vedla k myšlence, že by mohly být vytvořeny interakce hypernáboje a možná silné a slabé interakce do jedné velké sjednocené interakce popsané jednou větší jednoduchou symetrickou skupinou obsahující standardní model. To automaticky předpovídá kvantizovanou povahu a hodnoty všech nábojů elementárních částic. Protože to také vede k predikci relativní síly základních interakcí, které pozorujeme, zejména slabého úhlu míšení, Grand Unification ideálně snižuje počet nezávislých vstupů, ale je také omezena na pozorování. Jakkoli se velká sjednocená teorie může zdát univerzální, knihy o ní nejsou příliš oblíbené.
Georgie-Glasgow Theory (SU (5))
Velké sjednocení připomíná sjednocení elektrických a magnetických sil v Maxwellově teorii elektromagnetismu v 19. století, ale jeho fyzikální význam a matematická struktura jsou kvalitativně odlišné.
Není však zřejmé, že nejjednodušší možnou volbou pro rozšířenou velkou sjednocenou symetrii je vytvořit správnou sadu elementárních částic. Skutečnost, že všechny v současnosti známé částice hmoty dobře zapadají do tří nejmenších teorií reprezentace grup SU(5) a okamžitě nesou správné pozorovatelné náboje, je jednou z prvních anejdůležitější důvody, proč lidé věří, že velká sjednocená teorie může být skutečně realizována v přírodě.
Dvě nejmenší ireducibilní reprezentace SU(5) jsou 5 a 10. Ve standardní notaci obsahuje 5 nábojové konjugáty pravotočivého down-typu barevného tripletu a levo-levého isospinového dubletu, zatímco 10 obsahuje šest složek kvarku up-typu, vybarvi triplet levotočivého kvarku down-typu a pravotočivý elektron. Toto schéma musí být reprodukováno pro každou ze tří známých generací hmoty. Je pozoruhodné, že teorie neobsahuje anomálie s tímto obsahem.
Hypotetická pravotočivá neutrina jsou singletem SU(5), což znamená, že jeho hmotnost není zakázána žádnou symetrií; nepotřebuje spontánně narušit symetrii, což vysvětluje, proč bude jeho hmotnost velká.
Tady je sjednocení hmoty ještě úplnější, protože ireducibilní spinorová reprezentace 16 obsahuje jak 5, tak 10 SU(5) a pravotočivých neutrin, a tedy celkový obsah částic jedné generace rozšířený standardní model o hmotnosti neutrin. Toto je již největší jednoduchá skupina, která dosahuje sjednocení hmoty ve schématu, které zahrnuje pouze již známé částice hmoty (kromě Higgsova sektoru).
Protože různé standardní modelové fermiony jsou seskupeny do větších reprezentací, GUT specificky předpovídají vztahy mezi fermionovými hmotami, např. mezi elektronem adown kvark, mion a podivný kvark a tau lepton a down kvark pro SU(5). Některé z těchto hmotnostních poměrů jsou přibližné, ale většina nikoli.
SO(10) teorie
Bosonická matice pro SO(10) se najde tak, že vezmeme matici 15×15 reprezentující 10 + 5 SU(5) a přidáme další řádek a sloupec pro pravé neutrino. Bosony lze nalézt přidáním partnera ke každému z 20 nabitých bosonů (2 pravé W bosony, 6 masivních nabitých gluonů a 12 bosonů typu X/Y) a přidáním extra těžkého neutrálního Z bosonu k vytvoření 5 neutrálních bosonů. Bosonická matice bude mít v každém řádku a sloupci boson nebo jeho nového partnera. Tyto páry se spojí a vytvoří známé 16D Diracovy spinové matice SO(10).
Standardní model
Nechirální rozšíření Standardního modelu s vektorovými spektry rozdělených multipletových částic, které se přirozeně objevují ve vyšších SU(N) GUT, výrazně mění fyziku pouště a vedou k realistickému (řádkovému) velkému sjednocení pro obvyklé tři kvark-leptony rodiny i bez použití supersymetrie (viz níže). Na druhou stranu, vzhledem ke vzniku nového chybějícího mechanismu VEV, který se objevuje v supersymetrickém SU(8) GUT, lze nalézt současné řešení problému hierarchie měřidel (dvojité-tripletové dělení) a problému sjednocení chuti.
Další teorie a elementární částice
GUT se čtyřmi rodinami/generacemi, SU(8): za předpokladu, že 4 generace fermionů namísto 3 generují celkem 64 typů částic. Mohou být umístěny v 64=8 + 56 SU(8) reprezentacích. To lze rozdělit na SU(5) × SU(3) F × U(1), což je teorie SU(5), spolu s některými těžkými bosony, které ovlivňují počet generací.
GUT se čtyřmi rodinami/generacemi, O(16): Opět za předpokladu, že 4 generace fermionů se 128 částic a antičástic vejde do jedné reprezentace spinoru O(16). Všechny tyto věci byly objeveny na cestě k velké sjednocené teorii.
