Grand Unified Theory (GUT, GUT of GUT - al drie afkortings sal in die artikel gebruik word) is 'n model in partikelfisika waarin, teen hoë energie, die drie meter interaksies van die standaardmodel wat die elektromagnetiese, swak en sterk interaksies of kragte word in een enkele krag gekombineer. Hierdie gekombineerde interaksie word gekenmerk deur een simmetrie van groter maat, en dus verskeie drakragte, maar een permanente binding. As 'n groot eenwording in die natuur plaasvind, is daar 'n moontlikheid van 'n groot eenwording era in die vroeë heelal waarin die fundamentele kragte nog nie verskil nie.
Grand Unified Theory in kort
Modelle wat nie alle interaksies verenig deur een eenvoudige groep as maatsimmetrie te gebruik nie, doen dit deur semi-eenvoudige groepe te gebruik, kan soortgelyke eienskappe vertoon en word soms ook groot eenwordingsteorieë genoem.
Die kombinasie van swaartekrag met die ander drie kragte sal 'n teorie van alles (OO) eerder as 'n GUT verskaf. GUT word egter dikwels gesien as 'n tussenstap na OO. Dit is alles kenmerkende idees vir die groot teorieë van eenwording en supereniging.
Die nuwe deeltjies wat deur die GUT-modelle voorspel word, sal na verwagting massas rondom die GUT-skaal hê - net 'n paar ordes van grootte onder die Planck-skaal - en dus buite bereik vir enige voorgestelde deeltjiebotser-eksperimente. Daarom kan deeltjies wat deur GUT-modelle voorspel word nie direk waargeneem word nie, en in plaas daarvan kan groot eenwordingseffekte opgespoor word deur indirekte waarnemings soos protonverval, elementêre deeltjie elektriese dipoolmomente of neutrino-eienskappe. Sommige GUT's, soos die Pati Salam-model, voorspel die bestaan van magnetiese monopole.
Kenmerke van modelle
GUT-modelle, wat ten doel het om heeltemal realisties te wees, is redelik kompleks, selfs in vergelyking met die standaardmodel, omdat hulle addisionele velde en interaksies, of selfs addisionele dimensies van ruimte, moet inbring. Die hoofrede vir hierdie kompleksiteit lê in die moeilikheid om die waargenome fermioonmassas en menghoeke weer te gee, wat moontlik te wyte is aan die bestaan van 'n paar bykomende familiesimmetrieë buite die tradisionele GUT-modelle. As gevolg van hierdie moeilikheid en die afwesigheid van enige waarneembare groot eenwordingseffek, is daar steeds geen algemeen aanvaarde GUT-model nie.
Histories eerste'n ware GUT gebaseer op Lee se eenvoudige US-groep is in 1974 deur Howard George en Sheldon Glashow voorgestel. Die Georgi-Glashow-model is voorafgegaan deur die semi-eenvoudige Lie-algebra Pati-Salam-model wat voorgestel is deur Abdus Salam en Jogesh Pati, wat eers verenigende meter-interaksies voorgestel het.
Naamgeskiedenis
Die afkorting GUT (GUT) is die eerste keer in 1978 geskep deur CERN-navorsers John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard en Dmitry Nanopoulos, maar in die finale weergawe van hul artikel het hulle GUM (groot eenwordingsmassa) gekies. Nanopoulos was later daardie jaar die eerste wat die akroniem in 'n artikel gebruik het. Kortom, baie werk is gedoen op pad na die Grand Unified Theory.
Gemeenskap van konsepte
Die afkorting US word gebruik om te verwys na groot eenwordingsteorieë, waarna gereeld in hierdie artikel verwys sal word. Die feit dat die elektriese ladings van elektrone en protone mekaar blykbaar met uiterste akkuraatheid uitkanselleer, is noodsaaklik vir die makroskopiese wêreld soos ons dit ken, maar hierdie belangrike eienskap van elementêre deeltjies word nie in die standaardmodel van deeltjiefisika verduidelik nie. Terwyl die beskrywing van die sterk en swak interaksies in die Standaardmodel gebaseer is op maatsimmetrieë wat beheer word deur eenvoudige SU(3) en SU(2) simmetriegroepe wat slegs diskrete ladings toelaat, word die oorblywende komponent, die swak hiperladingsinteraksie, beskryf deur die Abelian U(1), wat in beginsel toelaatarbitrêre verspreiding van aanklagte.
Die waargenome ladingskwantisering, naamlik die feit dat alle bekende elementêre deeltjies elektriese ladings dra wat lyk asof dit presiese veelvoude van ⅓ van die elementêre lading is, het gelei tot die idee dat hiperlading-interaksies en moontlik sterk en swak interaksies gebou kon word in een groot verenigde interaksie beskryf deur een groter eenvoudige simmetriegroep wat die standaardmodel bevat. Dit sal outomaties die gekwantiseerde aard en waardes van alle ladings van elementêre deeltjies voorspel. Omdat dit ook lei tot 'n voorspelling van die relatiewe sterkpunte van die onderliggende interaksies wat ons waarneem, veral die swak menghoek, verminder Grand Unification ideaal die aantal onafhanklike insette, maar is ook beperk tot waarnemings. So universeel as wat die groot verenigde teorie mag lyk, is boeke daaroor nie baie gewild nie.
Georgie-Glasgow-teorie (US (5))
Die grootse eenwording herinner aan die eenwording van elektriese en magnetiese kragte in Maxwell se teorie van elektromagnetisme in die 19de eeu, maar die fisiese betekenis en wiskundige struktuur daarvan verskil kwalitatief.
Dit is egter nie voor die hand liggend dat die eenvoudigste moontlike keuse vir die uitgebreide groot verenigde simmetrie is om die korrekte stel elementêre deeltjies te produseer nie. Die feit dat alle huidige bekende deeltjies van materie goed in die drie kleinste US(5) groepvoorstellingsteorieë pas en dadelik die korrekte waarneembare ladings dra, is een van die eerste endie belangrikste redes waarom mense glo dat die groot verenigde teorie eintlik in die natuur verwesenlik kan word.
Die twee kleinste onherleibare voorstellings van SU(5) is 5 en 10. In die standaardnotasie bevat 5 die ladingsvervoegings van 'n regshandige af-tipe kleurdrieling en 'n links-links isospin-dubbelet, terwyl 10 bevat ses komponente van 'n op-tipe kwark, kleur 'n drieling van 'n linkshandige af-tipe kwark en 'n regshandige elektron. Hierdie skema moet weergegee word vir elk van die drie bekende generasies van materie. Dit is opmerklik dat die teorie nie anomalieë met hierdie inhoud bevat nie.
Hipotetiese regshandige neutrino's is 'n SU(5) enkelstuk, wat beteken dat sy massa nie deur enige simmetrie verbied word nie; dit hoef nie spontaan simmetrie te breek nie, wat verduidelik hoekom sy massa groot sal wees.
Hier is die eenwording van materie selfs meer volledig, aangesien die onherleibare spinor-voorstelling 16 beide 5 en 10 van SU(5) en regshandige neutrino's bevat, en dus die totale inhoud van deeltjies van een generasie van die uitgebreide standaardmodel met neutrinomassas. Dit is reeds die grootste eenvoudige groep wat die vereniging van materie bereik in 'n skema wat slegs reeds bekende deeltjies van materie insluit (behalwe vir die Higgs-sektor).
Omdat die verskillende standaardmodel-fermione in groter voorstellings gegroepeer word, voorspel GUT's spesifiek verwantskappe tussen fermioonmassas, soos tussen 'n elektron endons kwark, muon en vreemde kwark; en die taulepton en dons kwark vir SU(5). Sommige van hierdie massaverhoudings is by benadering, maar die meeste doen dit nie.
SO(10) teorie
Die bosoniese matriks vir SO(10) word gevind deur 'n 15×15-matriks van 10 + 5 voorstelling van SU(5) te neem en 'n ekstra ry en kolom vir die regte neutrino by te voeg. Die bosone kan gevind word deur 'n maat by elk van die 20 gelaaide bosone te voeg (2 regter W-bosone, 6 massiewe gelaaide gluone en 12 X/Y-tipe bosone) en 'n ekstra swaar neutrale Z-boson by te voeg om 5 neutrale bosone te maak. Die bosoniese matriks sal 'n boson of sy nuwe maat in elke ry en kolom hê. Hierdie pare kombineer om die bekende 16D Dirac-spinmatrikse SO(10) te skep.
Standaardmodel
Niechirale uitbreidings van die Standaardmodel met vektorspektra van gesplete veelvoudige deeltjies wat natuurlik in hoër SU(N) GUT'e voorkom, verander woestynfisika aansienlik en lei tot realistiese (ryskaal) grootse eenwording vir die gewone drie kwark-lepton gesinne selfs sonder om supersimmetrie te gebruik (sien hieronder). Aan die ander kant, as gevolg van die opkoms van 'n nuwe ontbrekende VEV-meganisme wat in die supersimmetriese SU(8) GUT na vore kom, kan 'n gelyktydige oplossing vir die meterhiërargieprobleem (dubbel-drielingsplitsing) en die smaakunifikasieprobleem gevind word.
Ander teorieë en elementêre deeltjies
GUT met vier families/generasies, US(8): aanvaar 4 generasies fermione in plaas van 3 genereer 'n totaal van 64 deeltjietipes. Hulle kan in 64=8 + 56 SU(8) voorstellings geplaas word. Dit kan verdeel word in SU(5) × SU(3) F × U(1), wat die SU(5)-teorie is, saam met 'n paar swaar bosone wat die generasiegetal beïnvloed.
GUT met vier families/generasies, O(16): Weereens, as 4 generasies fermione aanvaar word, kan 128 deeltjies en teendeeltjies in 'n enkele O(16) spinor-voorstelling pas. Al hierdie dinge is ontdek op pad na die groot verenigde teorie.
