Grand Unified Theory (GUT, GUT või GUT – artiklis kasutatakse kõiki kolme lühendit) on osakeste füüsika mudel, milles suurel energial on standardmudeli kolm mõõteriista vastastikmõju, mis määravad elektromagnetilise., nõrgad ja tugevad vastasmõjud või jõud ühendatakse üheks jõuks. Seda kombineeritud koostoimet iseloomustab üks suurema mõõtmega sümmeetria ja seetõttu mitu kandejõudu, kuid üks püsiv side. Kui looduses toimub suur ühinemine, on varajases universumis võimalik suure ühinemise ajastu, mille põhijõud ei ole veel erinevad.
Suur ühtne teooria lühid alt
Mudelid, mis ei ühenda kõiki interaktsioone, kasutades mõõturi sümmeetriana ühte lihtsat rühma, teevad seda poollihtsate rühmade abil, neil võivad olla sarnased omadused ja neid nimetatakse mõnikord ka suurteks ühendamisteooriateks.
Gravitatsiooni kombineerimine ülejäänud kolme jõuga annaks pigem kõige teooria (OO), mitte GUT. GUT-d nähakse aga sageli vahesammuna OO suunas. Need kõik on iseloomulikud ideed ühendamise ja üliühendamise teooriatele.
GUT mudelite ennustatud uutel osakestel on eeldatavasti umbes GUT skaala massid – vaid paar suurusjärku allpool Plancki skaalat – ja seetõttu ei ole need võimalikud kavandatavate osakeste põrkega katsete jaoks kättesaadavad. Seetõttu ei saa GUT-mudelitega ennustatud osakesi otse jälgida ja selle asemel saab tuvastada kaudsete vaatluste, näiteks prootoni lagunemise, elementaarosakeste elektriliste dipoolmomentide või neutriinoomaduste abil suuri ühendamise efekte. Mõned GUT-d, näiteks Pati Salami mudel, ennustavad magnetiliste monopooluste olemasolu.
Modelite omadused
GUT mudelid, mille eesmärk on olla täiesti realistlikud, on isegi standardmudeliga võrreldes üsna keerulised, kuna need peavad sisse viima täiendavaid välju ja interaktsioone või isegi täiendavaid ruumi mõõtmeid. Selle keerukuse peamine põhjus seisneb vaadeldud fermioonide masside ja segamisnurkade reprodutseerimise raskustes, mis võib olla tingitud mõne täiendava perekonna sümmeetria olemasolust väljaspool traditsioonilisi GUT-mudeleid. Selle raskuse ja ühegi jälgitava suure ühendava efekti puudumise tõttu ei ole ikka veel üldiselt aktsepteeritud GUT mudelit.
Ajalooliselt esimenetõelise GUT-i, mis põhineb Lee lihtsal SU-rühmal, pakkusid välja Howard George ja Sheldon Glashow 1974. aastal. Georgi-Glashow mudelile eelnes poollihtne Lie algebra Pati-Salami mudel, mille pakkusid välja Abdus Salam ja Jogesh Pati, kes pakkusid esmakordselt välja mõõteriistade ühendamise interaktsioonid.
Nimeajalugu
Lühendi GUT (GUT) võtsid esmakordselt kasutusele 1978. aastal CERNi teadlased John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard ja Dmitry Nanopoulos, kuid oma artikli lõppversioonis valisid nad GUM-i (great unification mass). Nanopoulos kasutas hiljem samal aastal seda lühendit artiklis esimesena. Ühesõnaga, suure ühtse teooria suunas on tehtud palju tööd.
Mõistete levik
Lühendit SU kasutatakse suure ühtlustamise teooriate tähistamiseks, millele viidatakse selles artiklis sageli. Fakt, et elektronide ja prootonite elektrilaengud näivad üksteist äärmise täpsusega kustutavat, on meile tuntud makroskoopilise maailma jaoks hädavajalik, kuid osakeste füüsika standardmudelis seda elementaarosakeste olulist omadust ei selgitata. Kui standardmudeli tugeva ja nõrga interaktsiooni kirjeldus põhineb mõõdetavatel sümmeetriatel, mida juhivad lihtsad SU(3) ja SU(2) sümmeetriarühmad, mis võimaldavad ainult diskreetseid laenguid, siis ülejäänud komponenti, nõrka hüperlaengu vastastikmõju, kirjeldab Abeli U(1), mis põhimõtteliselt võimaldabtasude meelevaldne jaotamine.
Täheldatud laengu kvantifitseerimine, nimelt asjaolu, et kõik teadaolevad elementaarosakesed kannavad elektrilaenguid, mis näivad olevat elementaarlaengu täpsed mitmekordsed, viis ideeni, et võib tekkida hüperlaengu vastastikmõju ning võimalik, et tugev ja nõrk vastastikmõju üheks suureks ühtseks interaktsiooniks, mida kirjeldab üks suurem lihtne sümmeetriarühm, mis sisaldab standardmudelit. See ennustab automaatselt elementaarosakeste kõigi laengute kvantiseeritud olemust ja väärtusi. Kuna see võimaldab ennustada ka meie vaadeldavate interaktsioonide suhtelist tugevust, eriti nõrka segamisnurka, vähendab Grand Unification ideaaljuhul sõltumatute sisendite arvu, kuid piirdub ka vaatlustega. Nii universaalne kui suur ühtne teooria ka ei tundu, pole seda käsitlevad raamatud kuigi populaarsed.
Georgie-Glasgow teooria (SU (5))
Suur ühinemine meenutab elektri- ja magnetjõudude ühendamist Maxwelli elektromagnetismi teoorias 19. sajandil, kuid selle füüsikaline tähendus ja matemaatiline struktuur on kvalitatiivselt erinevad.
Siiski pole ilmne, et laiendatud suure ühtse sümmeetria jaoks on lihtsaim võimalik valik luua õige elementaarosakeste komplekt. Asjaolu, et kõik praegu teadaolevad aineosakesed sobivad hästi kolme väikseima SU(5) rühma esitusteooriasse ja kannavad kohe õigeid jälgitavaid laenguid, on üks esimesi jakõige olulisemad põhjused, miks inimesed usuvad, et suurt ühtset teooriat saab ka looduses realiseerida.
SU(5) kaks väikseimat taandamatut esitust on 5 ja 10. Standardmärgistuses sisaldab 5 parempoolse allapoole tüüpi värvitripleti ja vasakpoolse vasakpoolse isospini dubleti laengukonjugaate, samas kui 10 sisaldab kuut üles-tüüpi kvargi komponenti, värvi vasakukäelise alla-tüüpi kvargi kolmik ja parempoolne elektron. Seda skeemi tuleb reprodutseerida iga aine kolme teadaoleva põlvkonna jaoks. Tähelepanuväärne on see, et teooria ei sisalda selle sisuga anomaaliaid.
Hüpoteetilised parempoolsed neutriinod on SU(5) singlett, mis tähendab, et selle mass ei ole ühegi sümmeetriaga keelatud; see ei pea sümmeetriat spontaanselt katkestama, mis selgitab, miks selle mass on suur.
Siin on mateeria ühinemine veelgi täielikum, kuna taandamatu spinorite esitus 16 sisaldab nii SU(5) kui ka parempoolsete neutriinode 5 ja 10 ning seega osakeste kogusisaldust ühes põlvkonnas. laiendatud standardmudel neutriino massidega. See on juba suurim lihtne rühm, mis saavutab aine ühendamise skeemis, mis hõlmab ainult juba teadaolevaid aineosakesi (v.a Higgsi sektor).
Kuna erinevad standardmudeli fermioonid on rühmitatud suuremateks esitusteks, ennustavad GUT-d spetsiifiliselt seoseid fermioonide masside vahel, näiteks elektronide jaudukvark, müüon ja kummaline kvark ning tau lepton ja udukvark SU(5) jaoks. Mõned neist massisuhetest on ligikaudsed, kuid enamik mitte.
SO(10) teooria
SO(10) bosoonimaatriks leitakse, võttes SU(5) 10 + 5 esituse 15 × 15 maatriksi ja lisades parempoolse neutriino jaoks täiendava rea ja veeru. Bosoneid saab leida, lisades igale 20-le laetud bosonile (2 parempoolset W-bosonit, 6 massiivset laetud gluoni ja 12 X/Y-tüüpi bosonit) partneri ja lisades 5 neutraalse bosoni saamiseks ekstra raske neutraalse Z-bosoni. Bosonilise maatriksi igas reas ja veerus on boson või selle uus partner. Need paarid loovad tuttavad 16D Diraci spin-maatriksid SO(10).
Standardmudel
Standardmudeli mittekiraalsed laiendused lõhenenud multiplettosakeste vektorspektritega, mis loomulikult esinevad kõrgemates SU(N) GUT-des, muudavad oluliselt kõrbe füüsikat ja viivad realistliku (reaskaalalise) suure ühendamiseni tavalise kolme kvark-leptoni jaoks perekonnad isegi ilma supersümmeetriat kasutamata (vt allpool). Teisest küljest võib supersümmeetrilises SU(8) GUT-is ilmneva uue puuduva VEV-mehhanismi ilmnemise tõttu leida samaaegse lahenduse gabariidihierarhia probleemile (kahe-tripleti jagunemine) ja maitse ühtlustamise probleemile.
Muud teooriad ja elementaarosakesed
GUT nelja perekonna/põlvkonnaga, SU(8): eeldades, et 4 fermioonide põlvkonda 3 genereerib kokku 64 osakeste tüüpi. Neid saab paigutada 64=8 + 56 SU(8) esitusse. Selle võib jagada SU(5) × SU(3) F × U(1), mis on SU(5) teooria, ja mõned rasked bosonid, mis mõjutavad põlvkonna arvu.
GUT nelja perekonna/põlvkonnaga, O(16): jällegi, eeldades, et 4 põlvkonda fermione, mahub 128 osakest ja antiosakest ühte O(16) spinori esitusse. Kõik need asjad avastati teel suure ühtse teooria poole.
