Теории великого объединения (GUT, ГУТ или ТВО - все три аббревиатуры будут использоваться в статье) - это модель в физике элементарных частиц, в которой при высокой энергии три калибровочных взаимодействия стандартной модели, которые определяют электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия или силы, объединяются в одну единую силу. Это объединенное взаимодействие характеризуется одной симметрией большей калибровки и, следовательно, несколькими несущими силами, но одной постоянной связью. Если великое объединение реализуется в природе, существует вероятность эпохи великого объединения в ранней Вселенной, в которой фундаментальные силы еще не различны.
Теория великого объединения: кратко
Модели, которые не объединяют все взаимодействия, используя одну простую группу в качестве калибровочной симметрии, делают это с использованием полупростых групп, могут демонстрировать аналогичные свойства и иногда также называются великими теориями объединения.
Объединение гравитации с тремя другими взаимодействиями обеспечило бы теорию всего (ОО), а не ГУТ. Тем не менее GUT часто рассматриваются как промежуточный шаг к ОО. Все это характерные идеи для великих теорий объединения и суперобъединения.
Ожидается, что новые частицы, предсказанные моделями GUT, будут иметь массы вокруг шкалы GUT - всего на несколько порядков ниже шкалы Планка - и поэтому будут недоступны для любых предполагаемых экспериментов на коллайдере частиц. Следовательно, частицы, предсказанные с помощью моделей GUT, не смогут наблюдаться напрямую, и вместо этого эффекты великого объединения могут быть обнаружены с помощью косвенных наблюдений, таких как распад протона, электрические дипольные моменты элементарных частиц или свойства нейтрино. Некоторые GUT, такие как модель Пати-Салама, предсказывают существование магнитных монополей.
Характеристика моделей
Модели GUT, которые стремятся быть полностью реалистичными, довольно сложны, даже по сравнению со стандартной моделью, потому что они должны вводить дополнительные поля и взаимодействия, или даже дополнительные измерения пространства. Основная причина этой сложности заключается в трудности воспроизведения наблюдаемых масс фермионов и углов смешения, что может быть связано с существованием некоторых дополнительных симметрий семейства за пределами традиционных моделей GUT. Из-за этой трудности и отсутствия какого-либо наблюдаемого эффекта великого объединения до сих пор не существует общепринятой модели GUT.
Исторически первый настоящий GUT, основанный на простой группе Ли SU, был предложен Говардом Георгием и Шелдоном Глэшоу в 1974 году. Модели Георги-Глэшоу предшествовала полупростая алгебра Ли модель Пати-Салама, предложенная Абдусом Саламом и Джогешем Пати, которые впервые предложили объединить калибровочные взаимодействия.
История названия
Аббревиатура GUT (ТВО) впервые была придумана в 1978 году исследователями ЦЕРН Джоном Эллисом, Анджей Бурасом, Мэри К. Гайард и Дмитрием Нанопулосом, однако в окончательной версии своей статьи они выбрали GUM (масса великого объединения). Nanopoulos позже в том же году был первым, кто использовал аббревиатуру в статье. Говоря кратко, на пути к теории великого объединения была проделана масса работы.
Общность концепций
Сокращение SU используется для обозначения теорий великого объединения, что часто будет упоминаться в этой статье. Тот факт, что электрические заряды электронов и протонов, по-видимому, взаимно компенсируют друг друга с предельной точностью, является существенным для макроскопического мира, каким мы его знаем, но это важное свойство элементарных частиц не объясняется в стандартной модели физики элементарных частиц. В то время как описание сильных и слабых взаимодействий в стандартной модели основано на калибровочных симметриях, управляемых простыми группами симметрий SU (3) и SU (2), которые допускают только дискретные заряды, оставшаяся компонента, взаимодействие слабого гиперзаряда, описывается абелевой симметрией U (1), которая в принципе допускает произвольное распределение зарядов.
Наблюдаемое квантование заряда, а именно тот факт, что все известные элементарные частицы несут электрические заряды, которые представляются точными кратными ⅓ элементарного заряда, привело к идее, что гиперзарядные взаимодействия и, возможно, сильные и слабые взаимодействия могут быть встроены в одно великое объединенное взаимодействие, описываемое одной большей простой группой симметрии, содержащей стандартную модель. Это автоматически предскажет квантованную природу и значения всех зарядов элементарных частиц. Поскольку это также приводит к предсказанию относительных сил основных взаимодействий, которые мы наблюдаем, в частности, к слабому углу смешивания, Grand Unification в идеале уменьшает количество независимых входных параметров, но также ограничивается наблюдениями. Какой бы универсальной не казалась теория великого объединения, книги по ней не слишком популярны.
Теория Джорджи-Глазгоу (SU (5))
Великое объединение напоминает объединение электрических и магнитных сил по теории электромагнетизма Максвелла в XIX веке, но его физическое значение и математическая структура качественно отличаются.
Однако не очевидно, что простейший возможный выбор для расширенной великой объединенной симметрии должен дать правильный набор элементарных частиц. Тот факт, что все известные в настоящее время частицы материи хорошо вписываются в три наименьших теории групповых представлений SU (5) и сразу несут правильные наблюдаемые заряды, является одной из первых и наиболее важных причин, по которым люди полагают, что великая теория объединения может на самом деле быть реализованной в природе.
Двумя наименьшими неприводимыми представлениями SU (5) являются 5 и 10. В стандартном назначении 5 содержит зарядовые конъюгаты цветового триплета правостороннего кварка нисходящего типа и изоспинового дублета левонного левтона, в то время как 10 содержит шесть компонентов кварка восходящего типа, цветовой триплет левого кварка нисходящего типа и правосторонний электрон. Эта схема должна быть воспроизведена для каждого из трех известных поколений материи. Примечательно, что теория не содержит аномалий с этим содержанием.
Гипотетические правосторонние нейтрино являются синглетом SU (5), что означает, что его масса не запрещена какой-либо симметрией; он не нуждается в самопроизвольном нарушении симметрии, что объясняет, почему его масса будет большой.
Здесь объединение материи является еще более полным, поскольку неприводимое спинорное представление 16 содержит как 5 и 10 из SU (5), так и правостороннее нейтрино, и, таким образом, полное содержание частиц одного поколения расширенной стандартной модели с нейтринные массы. Это уже самая большая простая группа, которая достигает объединения материи в схеме, включающей только уже известные частицы материи (кроме сектора Хиггса).
Поскольку различные стандартные модельные фермионы сгруппированы в более крупные представления, GUT специально предсказывают отношения между массами фермионов, такими как между электроном и нижним кварком, мюоном и странным кварком, а также тау-лептоном и нижним кварком для SU (5). Некоторые из этих массовых соотношений выполняются приблизительно, но большинство этого не делают.
Теория SO (10)
Бозонная матрица для SO (10) находится путем взятия матрицы 15 × 15 из 10 + 5 представления SU (5) и добавления дополнительной строки и столбца для правого нейтрино. Бозоны можно найти, добавив партнера к каждому из 20 заряженных бозонов (2 правых W-бозона, 6 массивных заряженных глюонов и 12 бозонов типа X/Y) и добавив дополнительный тяжелый нейтральный Z-бозон, чтобы сделать 5 нейтральных бозонов. Бозонная матрица будет иметь бозон или его нового партнера в каждой строке и столбце. Эти пары объединяются, чтобы создать знакомые 16D дираковские спинорные матрицы SO (10).
Стандартная модель
Нехиральные расширения стандартной модели с векторными спектрами расщепленных мультиплетных частиц, которые естественным образом появляются в высших SU (N) GUT, значительно изменяют физику пустыни и приводят к реалистическому (в масштабе строки) великому объединению для обычных трех кварк-лептонных семейств даже без использования суперсимметрии (см. ниже). С другой стороны, благодаря появлению нового недостающего механизма VEV, возникающего в суперсимметричной SU (8) GUT, может быть найдено одновременное решение проблемы калибровочной иерархии (дублет-триплетное расщепление) и проблемы объединения аромата.
Другие теории и элементарные частицы
GUT с четырьмя семействами/поколениями, SU (8): предполагая, что 4 поколения фермионов вместо 3 образуют в общей сложности 64 типа частиц. Их можно поместить в 64 = 8 + 56 представлений SU (8). Это можно разделить на SU (5) × SU (3) F × U (1), которая является теорией SU (5), вместе с некоторыми тяжелыми бозонами, которые влияют на число генерации.
GUT с четырьмя семействами/поколениями, O (16): опять же, предполагая 4 поколения фермионов, 128 частиц и античастиц можно поместить в одно спинорное представление O (16). Все эти вещи были открыты на пути к теории великого объединения.
