Grand Unified Theory (GUT, GUT of GUT - alle drie de afkortingen zullen in het artikel worden gebruikt) is een model in de deeltjesfysica waarin, bij hoge energie, de drie ijkinteracties van het standaardmodel die de elektromagnetische, worden zwakke en sterke interacties of krachten gecombineerd tot één enkele kracht. Deze gecombineerde interactie wordt gekenmerkt door één symmetrie van grotere dikte, en dus meerdere draagkrachten, maar één permanente binding. Als er in de natuur een grootse eenwording plaatsvindt, is er een mogelijkheid van een groots eenwordingstijdperk in het vroege universum waarin de fundamentele krachten nog niet anders zijn.
Grand Unified Theory in het kort
Modellen die niet alle interacties verenigen met behulp van één eenvoudige groep als ijksymmetrie, doen dit met behulp van semi-eenvoudige groepen, kunnen vergelijkbare eigenschappen vertonen en worden soms ook grote unificatietheorieën genoemd.
Zwaartekracht combineren met de andere drie krachten zou een theorie van alles (OO) opleveren in plaats van een GUT. GUT wordt echter vaak gezien als een tussenstap naar OO. Dit zijn allemaal karakteristieke ideeën voor de grote theorieën van eenwording en superunificatie.
De nieuwe deeltjes die door de GUT-modellen worden voorspeld, zullen naar verwachting massa's hebben rond de GUT-schaal - slechts enkele ordes van grootte onder de Planck-schaal - en daarom onbereikbaar voor eventuele voorgestelde deeltjesversneller-experimenten. Daarom kunnen deeltjes die worden voorspeld door GUT-modellen niet direct worden waargenomen, en in plaats daarvan kunnen grote unificatie-effecten worden gedetecteerd door indirecte waarnemingen zoals protonverval, elektrische dipoolmomenten van elementaire deeltjes of neutrino-eigenschappen. Sommige GUT's, zoals het Pati Salam-model, voorspellen het bestaan van magnetische monopolen.
Kenmerken van modellen
GUT-modellen, die volledig realistisch willen zijn, zijn behoorlijk complex, zelfs in vergelijking met het standaardmodel, omdat ze extra velden en interacties moeten introduceren, of zelfs extra dimensies van ruimte. De belangrijkste reden voor deze complexiteit ligt in de moeilijkheid om de waargenomen fermionmassa's en menghoeken te reproduceren, wat te wijten kan zijn aan het bestaan van enkele extra familiesymmetrieën buiten de traditionele GUT-modellen. Vanwege deze moeilijkheid en de afwezigheid van enig waarneembaar groots unificatie-effect, is er nog steeds geen algemeen aanvaard GUT-model.
Historisch eersteen echte GUT gebaseerd op Lee's eenvoudige SU-groep werd in 1974 voorgesteld door Howard George en Sheldon Glashow. Het Georgi-Glashow-model werd voorafgegaan door het semi-eenvoudige Lie-algebra Pati-Salam-model, voorgesteld door Abdus Salam en Jogesh Pati, die voor het eerst een uniforme ijkinteractie voorstelden.
Naam geschiedenis
De afkorting GUT (GUT) werd voor het eerst bedacht in 1978 door CERN-onderzoekers John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard en Dmitry Nanopoulos, maar in de definitieve versie van hun artikel kozen ze voor GUM (great unification mass). Nanopoulos was later dat jaar de eerste die de afkorting in een artikel gebruikte. Kortom, er is veel werk verzet op weg naar de Grand Unified Theory.
Gemeenschappelijke concepten
De afkorting SU wordt gebruikt om te verwijzen naar grote unificatietheorieën, waarnaar in dit artikel vaak zal worden verwezen. Het feit dat de elektrische ladingen van elektronen en protonen elkaar met uiterste precisie lijken op te heffen, is essentieel voor de macroscopische wereld zoals we die kennen, maar deze belangrijke eigenschap van elementaire deeltjes wordt niet verklaard in het standaardmodel van de deeltjesfysica. Hoewel de beschrijving van de sterke en zwakke interacties in het standaardmodel gebaseerd is op ijksymmetrieën die worden bepaald door eenvoudige SU(3)- en SU(2)-symmetriegroepen die alleen discrete ladingen toestaan, wordt de resterende component, de zwakke hyperladingsinteractie, beschreven door de Abeliaanse U(1), die in principe toelaatwillekeurige verdeling van kosten.
De waargenomen ladingkwantisatie, namelijk het feit dat alle bekende elementaire deeltjes elektrische ladingen dragen die exacte veelvouden lijken te zijn van ⅓ van de elementaire lading, leidde tot het idee dat hyperladingsinteracties en mogelijk sterke en zwakke interacties konden worden opgebouwd in één grote verenigde interactie beschreven door één grotere eenvoudige symmetriegroep die het standaardmodel bevat. Dit zal automatisch de gekwantiseerde aard en waarden van alle ladingen van elementaire deeltjes voorspellen. Omdat het ook leidt tot een voorspelling van de relatieve sterktes van de onderliggende interacties die we waarnemen, met name de zwakke menghoek, vermindert Grand Unification idealiter het aantal onafhankelijke inputs, maar is het ook beperkt tot observaties. Hoe universeel de grote verenigde theorie ook mag lijken, boeken erover zijn niet erg populair.
Georgie-Glasgow-theorie (SU (5))
De grote eenwording doet denken aan de eenwording van elektrische en magnetische krachten in Maxwells theorie van elektromagnetisme in de 19e eeuw, maar de fysieke betekenis en wiskundige structuur zijn kwalitatief verschillend.
Het is echter niet duidelijk dat de eenvoudigste keuze voor de uitgebreide grote verenigde symmetrie het produceren van de juiste set elementaire deeltjes is. Het feit dat alle momenteel bekende materiedeeltjes goed passen in de drie kleinste SU(5)-groepsrepresentatietheorieën en onmiddellijk de juiste waarneembare ladingen dragen, is een van de eerste ende belangrijkste redenen waarom mensen geloven dat de grote verenigde theorie daadwerkelijk in de natuur kan worden gerealiseerd.
De twee kleinste irreducibele representaties van SU(5) zijn 5 en 10. In de standaardnotatie bevat 5 de ladingsconjugaten van een rechtshandig down-type kleurentriplet en een links-links isospindoublet, terwijl 10 bevat zes componenten van een up-type quark, kleur een triplet van een linkshandige down-type quark en een rechtshandig elektron. Dit schema moet worden gereproduceerd voor elk van de drie bekende generaties van materie. Het is opmerkelijk dat de theorie geen afwijkingen bevat met deze inhoud.
Hypothetische rechtshandige neutrino's zijn een SU(5)-singlet, wat betekent dat de massa ervan door geen enkele symmetrie wordt verboden; het hoeft de symmetrie niet spontaan te verbreken, wat verklaart waarom de massa groot zal zijn.
Hier is de eenwording van materie nog completer, aangezien de onherleidbare spinorrepresentatie 16 zowel 5 als 10 van SU(5) en rechtshandige neutrino's bevat, en dus het totale geh alte aan deeltjes van één generatie van de uitgebreid standaardmodel met neutrinomassa's. Dit is al de grootste eenvoudige groep die de eenwording van materie bereikt in een schema dat alleen reeds bekende materiedeeltjes omvat (behalve de Higgs-sector).
Omdat de verschillende fermionen van het standaardmodel zijn gegroepeerd in grotere representaties, voorspellen GUT's specifiek relaties tussen fermionmassa's, zoals tussen een elektron endown-quark, muon en vreemde quark, en de tau-lepton en down-quark voor SU(5). Sommige van deze massaverhoudingen zijn bij benadering, maar de meeste niet.
SO(10) theorie
De bosonische matrix voor SO(10) wordt gevonden door een 15×15 matrix van 10 + 5 representatie van SU(5) te nemen en een extra rij en kolom toe te voegen voor het rechter neutrino. De bosonen kunnen worden gevonden door een partner toe te voegen aan elk van de 20 geladen bosonen (2 rechter W-bosonen, 6 massieve geladen gluonen en 12 X/Y-type bosonen) en een extra zwaar neutraal Z-boson toe te voegen om 5 neutrale bosonen te maken. De bosonische matrix heeft een boson of zijn nieuwe partner in elke rij en kolom. Deze paren vormen samen de bekende 16D Dirac-spinmatrices SO(10).
Standaardmodel
Niet-chirale uitbreidingen van het standaardmodel met vectorspectra van gesplitste multipletdeeltjes die van nature voorkomen in hogere SU(N) GUT's, veranderen de woestijnfysica aanzienlijk en leiden tot realistische (rij-schaal) grand unificatie voor de gebruikelijke drie quark-leptonen families, zelfs zonder gebruik te maken van supersymmetrie (zie hieronder). Aan de andere kant, vanwege de opkomst van een nieuw ontbrekend VEV-mechanisme dat opduikt in de supersymmetrische SU(8) GUT, kan er een gelijktijdige oplossing worden gevonden voor het ijkhiërarchieprobleem (doublet-triplet-splitsing) en het smaak-unificatieprobleem.
Andere theorieën en elementaire deeltjes
GUT met vier families/generaties, SU(8): ervan uitgaande dat 4 generaties fermionen in plaats van 3 in totaal 64 deeltjestypes genereren. Ze kunnen worden geplaatst in 64=8 + 56 SU(8) representaties. Dit kan worden onderverdeeld in SU(5) × SU(3) F × U(1), de SU(5)-theorie, samen met enkele zware bosonen die het generatiegetal beïnvloeden.
GUT met vier families/generaties, O(16): Nogmaals, uitgaande van 4 generaties fermionen, kunnen 128 deeltjes en antideeltjes in een enkele O(16) spinorrepresentatie passen. Al deze dingen werden ontdekt op weg naar de grote verenigde theorie.
