Grand Unified Theory (GUT, GUT ili GUT - sve tri skraćenice će se koristiti u članku) je model u fizici čestica u kojem, pri visokoj energiji, tri mjerne interakcije standardnog modela koje određuju elektromagnetno, slabe i jake interakcije ili sile se kombinuju u jednu jedinu silu. Ovu kombinovanu interakciju karakteriše jedna simetrija većeg gabarita, a samim tim i nekoliko nosivih sila, ali jedna trajna veza. Ako se veliko ujedinjenje dogodi u prirodi, postoji mogućnost ere velikog ujedinjenja u ranom svemiru u kojem fundamentalne sile još nisu različite.
Grand Unified Theory ukratko
Modeli koji ne objedinjuju sve interakcije koristeći jednu jednostavnu grupu kao mjernu simetriju, čine to koristeći polujednostavne grupe, mogu pokazati slična svojstva i ponekad se nazivaju i teorijama velikog ujedinjenja..
Kombinovanje gravitacije sa ostale tri sile bi dalo teoriju svega (OO) pre nego GUT. Međutim, GUT se često posmatra kao međukorak ka OO. Sve su to karakteristične ideje za velike teorije ujedinjenja i superunifikacije.
Očekuje se da će nove čestice koje predviđaju GUT modeli imati mase oko GUT skale - samo nekoliko redova veličine ispod Planckove skale - i stoga izvan dosega za bilo kakve predložene eksperimente sudarača čestica. Stoga se čestice predviđene GUT modelima ne mogu direktno posmatrati, već se umjesto toga, efekti velikog ujedinjenja mogu detektovati kroz indirektna zapažanja kao što su raspad protona, električni dipolni momenti elementarnih čestica ili svojstva neutrina. Neki GUT-ovi, kao što je model Pati Salam, predviđaju postojanje magnetnih monopola.
Karakteristike modela
GUT modeli, koji imaju za cilj da budu potpuno realistični, prilično su složeni, čak i u poređenju sa standardnim modelom, jer moraju uvesti dodatna polja i interakcije, ili čak dodatne dimenzije prostora. Glavni razlog ove složenosti leži u teškoći reprodukcije posmatranih masa fermiona i uglova mešanja, što može biti posledica postojanja nekih dodatnih porodičnih simetrija izvan tradicionalnih GUT modela. Zbog ove poteškoće i odsustva bilo kakvog vidljivog efekta velikog ujedinjenja, još uvijek ne postoji općenito prihvaćen GUT model.
Istorijski prvopravi GUT zasnovan na Leeovoj jednostavnoj SU grupi predložili su Howard George i Sheldon Glashow 1974. godine. Modelu Georgi-Glashowa prethodio je polujednostavna Liejeva algebra Pati-Salam model koji su predložili Abdus Salam i Jogesh Pati, koji su prvi predložili objedinjujuće mjerne interakcije.
Historija imena
Skraćenicu GUT (GUT) prvi su skovali 1978. istraživači CERN-a John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard i Dmitry Nanopoulos, ali su u konačnoj verziji svog članka odabrali GUM (velika masa ujedinjenja). Nanopoulos je kasnije te godine bio prvi koji je koristio akronim u članku. Ukratko, dosta posla je obavljeno na putu ka Velikoj teoriji ujedinjenja.
Zajedništvo koncepata
Skraćenica SU se koristi za upućivanje na teorije velikog ujedinjenja, koje će se često spominjati u ovom članku. Činjenica da se čini da se električni naboji elektrona i protona međusobno poništavaju s izuzetnom preciznošću od suštinskog je značaja za makroskopski svijet kakav poznajemo, ali ovo važno svojstvo elementarnih čestica nije objašnjeno u standardnom modelu fizike čestica. Dok je opis jakih i slabih interakcija u Standardnom modelu zasnovan na kalibarskim simetrijama kojima upravljaju jednostavne SU(3) i SU(2) grupe simetrije koje dozvoljavaju samo diskretna naelektrisanja, preostala komponenta, slaba interakcija hipernaelektrisanja, opisuje se sa Abelov U(1), koji u principu dozvoljavaproizvoljna raspodjela naknada.
Uočena kvantizacija naboja, naime činjenica da sve poznate elementarne čestice nose električne naboje koji izgledaju kao tačni višekratnici ⅓ elementarnog naboja, dovela je do ideje da se mogu izgraditi interakcije hipernaboja i moguće jake i slabe interakcije u jednu veliku ujedinjenu interakciju opisanu jednom većom jednostavnom grupom simetrije koja sadrži standardni model. Ovo će automatski predvidjeti kvantiziranu prirodu i vrijednosti svih naboja elementarnih čestica. Budući da takođe dovodi do predviđanja relativne jačine osnovnih interakcija koje posmatramo, posebno slabog ugla mešanja, Grand Unification idealno smanjuje broj nezavisnih ulaza, ali je takođe ograničen na posmatranja. Koliko god teorija velikog ujedinjenja izgledala univerzalno, knjige o njoj nisu baš popularne.
Georgie-Glasgow Theory (SU (5))
Veliko ujedinjenje podsjeća na ujedinjenje električnih i magnetskih sila u Maxwellovoj teoriji elektromagnetizma u 19. stoljeću, ali njegovo fizičko značenje i matematička struktura su kvalitativno drugačiji.
Međutim, nije očigledno da je najjednostavniji mogući izbor za proširenu veliku ujedinjenu simetriju proizvesti ispravan skup elementarnih čestica. Činjenica da se sve trenutno poznate čestice materije dobro uklapaju u tri najmanje teorije SU(5) grupe i da odmah nose ispravne uočljive naboje jedna je od prvih inajvažniji razlozi zašto ljudi vjeruju da se teorija velikog ujedinjenja zaista može realizirati u prirodi.
Dva najmanja ireducibilna prikaza SU(5) su 5 i 10. U standardnoj notaciji, 5 sadrži konjugate naboja desnog donjeg tipa tripleta boja i lijevo-lijevog izospin dubleta, dok 10 sadrži šest komponenti kvarka gornjeg tipa, boji triplet lijevog donjeg tipa kvarka i desnog elektrona. Ova shema se mora reproducirati za svaku od tri poznate generacije materije. Važno je napomenuti da teorija ne sadrži anomalije sa ovim sadržajem.
Hipotetski desnoruki neutrini su SU(5) singlet, što znači da njegova masa nije zabranjena nikakvom simetrijom; ne mora spontano da prekine simetriju, što objašnjava zašto će njegova masa biti velika.
Ovdje je objedinjavanje materije još potpunije, budući da ireducibilna spinorna reprezentacija 16 sadrži i 5 i 10 SU(5) i desnih neutrina, a time i ukupan sadržaj čestica jedne generacije prošireni standardni model sa masama neutrina. Ovo je već najveća jednostavna grupa koja postiže ujedinjenje materije u šemi koja uključuje samo već poznate čestice materije (osim Higgsovog sektora).
Budući da su različiti standardni modeli fermiona grupirani u veće reprezentacije, GUT-ovi posebno predviđaju odnose između masa fermiona, kao što je između elektrona idown kvark, mion i čudni kvark i tau lepton i down kvark za SU(5). Neki od ovih omjera mase su približni, ali većina ne.
SO(10) teorija
Bozonska matrica za SO(10) se nalazi uzimanjem 15×15 matrice od 10 + 5 reprezentacije SU(5) i dodavanjem dodatnog reda i stupca za desni neutrino. Bozoni se mogu pronaći dodavanjem partnera svakom od 20 nabijenih bozona (2 desna W bozona, 6 masivnih nabijenih gluona i 12 bozona X/Y tipa) i dodavanjem dodatnog teškog neutralnog Z bozona da se napravi 5 neutralnih bozona. Bozonska matrica će imati bozon ili svog novog partnera u svakom redu i koloni. Ovi parovi se kombinuju da bi stvorili poznate 16D Diracove spin matrice SO(10).
Standardni model
Nehiralne ekstenzije Standardnog modela sa vektorskim spektrima podijeljenih multipletnih čestica koje se prirodno pojavljuju u višim SU(N) GUT-ima značajno mijenjaju pustinjsku fiziku i dovode do realnog (na skali redova) velikog ujedinjenja za uobičajena tri kvark-leptona porodice čak i bez upotrebe supersimetrije (vidi dolje). S druge strane, zbog pojave novog VEV mehanizma koji nedostaje koji se pojavljuje u supersimetričnom SU(8) GUT-u, može se pronaći istovremeno rješenje problema hijerarhije kalibra (dvostruko-triplet podjele) i problema objedinjavanja okusa.
Druge teorije i elementarne čestice
GUT sa četiri porodice/generacije, SU(8): pod pretpostavkom da 4 generacije fermiona umjesto 3 generiraju ukupno 64 tipa čestica. Mogu se postaviti u 64=8 + 56 SU(8) reprezentacija. Ovo se može podijeliti na SU(5) × SU(3) F × U(1), što je SU(5) teorija, zajedno sa nekim teškim bozonima koji utiču na broj generacije.
GUT sa četiri porodice/generacije, O(16): Opet, pod pretpostavkom da 4 generacije fermiona, 128 čestica i antičestica mogu stati u jednu O(16) spinornu reprezentaciju. Sve ove stvari su otkrivene na putu ka teoriji velikog ujedinjenja.
