Teori Bersatu Besar (GUT, GUT atau GUT - ketiga-tiga singkatan akan digunakan dalam artikel) ialah model dalam fizik zarah di mana, pada tenaga tinggi, tiga interaksi tolok model piawai yang menentukan elektromagnet, interaksi atau daya yang lemah dan kuat digabungkan menjadi satu daya tunggal. Interaksi gabungan ini dicirikan oleh satu simetri tolok yang lebih besar, dan oleh itu beberapa daya pembawa, tetapi satu ikatan kekal. Jika penyatuan besar berlaku di alam semula jadi, terdapat kemungkinan era penyatuan besar di alam semesta awal di mana kuasa asas belum lagi berbeza.
Teori Bersatu Besar secara ringkas
Model yang tidak menyatukan semua interaksi menggunakan satu kumpulan ringkas sebagai simetri tolok, berbuat demikian menggunakan kumpulan separa ringkas, boleh mempamerkan sifat yang serupa dan kadangkala juga dipanggil teori penyatuan besar.
Menggabungkan graviti dengan tiga daya yang lain akan memberikan teori segala-galanya (OO) dan bukannya GUT. Walau bagaimanapun, GUT sering dilihat sebagai langkah perantaraan ke arah OO. Ini semua adalah idea ciri untuk teori hebat penyatuan dan penyatuan super.
Zarah baharu yang diramalkan oleh model GUT dijangka mempunyai jisim di sekitar skala GUT - hanya beberapa susunan magnitud di bawah skala Planck - dan oleh itu tidak dapat dicapai untuk sebarang eksperimen pelanggar zarah yang dicadangkan. Oleh itu, zarah yang diramalkan oleh model GUT tidak boleh diperhatikan secara langsung, dan sebaliknya, kesan penyatuan besar boleh dikesan melalui pemerhatian tidak langsung seperti pereputan proton, momen dipol elektrik zarah asas atau sifat neutrino. Beberapa GUT, seperti model Pati Salam, meramalkan kewujudan monopol magnetik.
Ciri-ciri model
Model GUT, yang bertujuan untuk menjadi benar-benar realistik, agak rumit, walaupun berbanding model standard, kerana ia mesti memperkenalkan medan dan interaksi tambahan, atau malah dimensi tambahan ruang. Sebab utama kerumitan ini terletak pada kesukaran menghasilkan semula jisim fermion yang diperhatikan dan sudut pencampuran, yang mungkin disebabkan oleh kewujudan beberapa simetri keluarga tambahan di luar model GUT tradisional. Oleh kerana kesukaran ini dan ketiadaan sebarang kesan penyatuan besar yang boleh diperhatikan, masih tiada model GUT yang diterima umum.
Bersejarah dahuluGUT sebenar berdasarkan kumpulan SU mudah Lee telah dicadangkan oleh Howard George dan Sheldon Glashow pada tahun 1974. Model Georgi-Glashow didahului oleh model semisimple Lie algebra Pati-Salam yang dicadangkan oleh Abdus Salam dan Jogesh Pati, yang mula-mula mencadangkan interaksi tolok penyatuan.
Sejarah nama
Singkatan GUT (GUT) pertama kali dicipta pada tahun 1978 oleh penyelidik CERN John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard dan Dmitry Nanopoulos, tetapi dalam versi akhir artikel mereka, mereka memilih GUM (jisim penyatuan yang hebat). Nanopoulos pada akhir tahun itu adalah yang pertama menggunakan akronim dalam artikel. Pendek kata, banyak kerja telah dilakukan dalam perjalanan ke Grand Unified Theory.
Kesamaan konsep
Singkatan SU digunakan untuk merujuk kepada teori penyatuan besar, yang akan kerap dirujuk sepanjang artikel ini. Hakikat bahawa cas elektrik elektron dan proton seolah-olah membatalkan satu sama lain dengan ketepatan yang melampau adalah penting untuk dunia makroskopik seperti yang kita ketahui, tetapi sifat penting zarah asas ini tidak dijelaskan dalam model standard fizik zarah. Walaupun perihalan interaksi kuat dan lemah dalam Model Standard adalah berdasarkan simetri tolok yang dikawal oleh kumpulan simetri SU(3) dan SU(2) mudah yang membenarkan hanya cas diskret, komponen selebihnya, interaksi hipercas lemah, diterangkan oleh Abelian U(1), yang pada dasarnya membenarkanpengagihan caj sewenang-wenangnya.
Kuantisasi cas yang diperhatikan, iaitu fakta bahawa semua zarah asas yang diketahui membawa cas elektrik yang kelihatan seperti gandaan tepat ⅓ cas asas, membawa kepada idea bahawa interaksi hipercas dan kemungkinan interaksi kuat dan lemah boleh dibina menjadi satu interaksi bersatu besar yang diterangkan oleh satu kumpulan simetri ringkas yang lebih besar yang mengandungi model standard. Ini secara automatik akan meramalkan sifat terkuantisasi dan nilai semua cas zarah asas. Oleh kerana ia juga membawa kepada ramalan kekuatan relatif interaksi asas yang kami perhatikan, khususnya sudut pencampuran yang lemah, Grand Unification idealnya mengurangkan bilangan input bebas, tetapi juga terhad kepada pemerhatian. Walaupun teori penyatuan besar itu kelihatan universal, buku mengenainya tidak begitu popular.
Teori Georgie-Glasgow (SU (5))
Penyatuan besar ini mengingatkan penyatuan daya elektrik dan magnet dalam teori elektromagnetisme Maxwell pada abad ke-19, tetapi makna fizikal dan struktur matematiknya berbeza secara kualitatif.
Walau bagaimanapun, tidak jelas bahawa pilihan paling mudah untuk simetri bersatu besar yang dilanjutkan adalah untuk menghasilkan set zarah asas yang betul. Hakikat bahawa semua zarah jirim yang diketahui pada masa ini sesuai dengan baik ke dalam tiga teori perwakilan kumpulan SU(5) terkecil dan serta-merta membawa cas yang boleh diperhatikan yang betul adalah salah satu daripada yang pertama dansebab yang paling penting mengapa orang percaya bahawa teori perpaduan yang agung sebenarnya boleh direalisasikan secara semula jadi.
Dua perwakilan terkecil yang tidak boleh dikurangkan bagi SU(5) ialah 5 dan 10. Dalam tatatanda standard, 5 mengandungi konjugat cas bagi triplet warna jenis bawah tangan kanan dan doublet isospin kiri, manakala 10 mengandungi enam komponen quark jenis atas, warnakan triplet quark jenis bawah kidal dan elektron tangan kanan. Skim ini mesti dihasilkan semula untuk setiap tiga generasi jirim yang diketahui. Perlu diperhatikan bahawa teori ini tidak mengandungi anomali dengan kandungan ini.
Neutrino tangan kanan hipotesis ialah singlet SU(5), bermakna jisimnya tidak dilarang oleh sebarang simetri; ia tidak perlu memecahkan simetri secara spontan, yang menerangkan sebab jisimnya akan menjadi besar.
Di sini, penyatuan jirim adalah lebih lengkap, kerana perwakilan spinor tidak boleh dikurangkan 16 mengandungi kedua-dua 5 dan 10 SU(5) dan neutrino tangan kanan, dan dengan itu jumlah kandungan zarah satu generasi daripada model piawai lanjutan dengan jisim neutrino. Ini sudah menjadi kumpulan mudah terbesar yang mencapai penyatuan jirim dalam skema yang merangkumi hanya zarah jirim yang sudah diketahui (kecuali untuk sektor Higgs).
Oleh kerana pelbagai model fermion standard dikumpulkan ke dalam perwakilan yang lebih besar, GUT secara khusus meramalkan hubungan antara jisim fermion, seperti antara elektron danquark bawah, muon, dan quark aneh; dan tau lepton dan quark bawah untuk SU(5). Sebahagian daripada nisbah jisim ini dianggarkan, tetapi kebanyakannya tidak.
teori SO(10)
Matriks bosonik untuk SO(10) ditemui dengan mengambil matriks 15×15 bagi 10 + 5 perwakilan SU(5) dan menambah baris dan lajur tambahan untuk neutrino kanan. Boson boleh didapati dengan menambah rakan kongsi pada setiap 20 boson bercas (2 boson W kanan, 6 gluon bercas besar-besaran dan 12 boson jenis X/Y) dan menambah boson Z neutral lebih berat untuk membuat 5 boson neutral. Matriks boson akan mempunyai boson atau rakan kongsi baharunya dalam setiap baris dan lajur. Pasangan ini bergabung untuk mencipta matriks putaran Dirac 16D yang biasa SO(10).
Model Standard
Pelanjutan bukan bercirikan Model Standard dengan spektrum vektor zarah berganda berpecah yang secara semula jadi muncul dalam GUT SU(N) yang lebih tinggi dengan ketara mengubah fizik padang pasir dan membawa kepada penyatuan besar yang realistik (skala baris) untuk tiga quark-lepton biasa keluarga walaupun tanpa menggunakan supersimetri (lihat di bawah). Sebaliknya, disebabkan kemunculan mekanisme VEV baharu yang hilang yang muncul dalam SU(8) GUT supersimetri, penyelesaian serentak kepada masalah hierarki tolok (pemisahan dua kali ganda-triplet) dan masalah penyatuan rasa boleh ditemui.
Teori lain dan zarah asas
GUT dengan empat keluarga/generasi, SU(8): dengan mengandaikan 4 generasi fermion dan bukannya 3 menghasilkan sejumlah 64 jenis zarah. Mereka boleh diletakkan dalam 64=8 + 56 SU(8) perwakilan. Ini boleh dibahagikan kepada SU(5) × SU(3) F × U(1), iaitu teori SU(5), bersama-sama dengan beberapa boson berat yang mempengaruhi nombor penjanaan.
GUT dengan empat keluarga/generasi, O(16): Sekali lagi, dengan mengandaikan 4 generasi fermion, 128 zarah dan antizarah boleh dimuatkan ke dalam satu perwakilan spinor O(16). Semua perkara ini ditemui dalam perjalanan ke teori bersatu besar.
