Grand Unified Theory (GUT, GUT o GUT - les tres abreviatures s'utilitzaran a l'article) és un model de física de partícules en el qual, a alta energia, les interaccions de tres gauge del model estàndard que determinen l'electromagnètica, les interaccions o forces febles i fortes es combinen en una sola força. Aquesta interacció combinada es caracteritza per una simetria de major calibre, i per tant diverses forces portadores, però un enllaç permanent. Si es produeix una gran unificació a la natura, hi ha la possibilitat d'una era de gran unificació a l'univers primerenc en què les forces fonamentals encara no siguin diferents.
Grand Unified Theory en breu
Els models que no unifiquen totes les interaccions utilitzant un grup simple com a simetria de calibre, ho fan amb grups semisimples, poden mostrar propietats similars i de vegades també s'anomenen teories de la gran unificació.
La combinació de la gravetat amb les altres tres forces proporcionaria una teoria de tot (OO) en lloc d'un GUT. Tanmateix, el GUT sovint es veu com un pas intermedi cap a l'OO. Totes aquestes són idees característiques de les grans teories de la unificació i la superunificació.
S'espera que les noves partícules predites pels models GUT tinguin masses al voltant de l'escala GUT, només uns quants ordres de magnitud per sota de l'escala de Planck, i per tant fora de l'abast de qualsevol experiment proposat de col·lisionador de partícules. Per tant, les partícules predites pels models GUT no es poden observar directament i, en canvi, es poden detectar efectes de gran unificació mitjançant observacions indirectes com ara la desintegració de protons, moments dipolars elèctrics de partícules elementals o propietats de neutrins. Alguns GUT, com el model Pati Salam, prediuen l'existència de monopols magnètics.
Característiques dels models
Els models GUT, que pretenen ser completament realistes, són força complexos, fins i tot en comparació amb el model estàndard, perquè han d'introduir camps i interaccions addicionals, o fins i tot dimensions addicionals d'espai. El motiu principal d'aquesta complexitat rau en la dificultat de reproduir les masses de fermions observades i els angles de barreja, que pot ser degut a l'existència d'algunes simetries familiars addicionals fora dels models GUT tradicionals. A causa d'aquesta dificultat i de l'absència de cap efecte de gran unificació observable, encara no hi ha un model GUT generalment acceptat.
Històricament primerHoward George i Sheldon Glashow van proposar un veritable GUT basat en el grup SU simple de Lee el 1974. El model Georgi-Glashow va ser precedit pel model semisimple d'àlgebra de Lie Pati-Salam proposat per Abdus Salam i Jogesh Pati, que primer van proposar unificar les interaccions de gauge.
Historial de noms
L'abreviatura GUT (GUT) va ser encunyada per primera vegada l'any 1978 pels investigadors del CERN John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard i Dmitry Nanopoulos, però a la versió final del seu article van triar GUM (gran massa d'unificació). Nanopoulos més tard aquell any va ser el primer a utilitzar l'acrònim en un article. En resum, s'ha treballat molt en el camí cap a la Gran Teoria Unificada.
Conceptes comuns
L'abreviatura SU s'utilitza per referir-se a les teories de la gran unificació, a les quals es farà referència amb freqüència al llarg d'aquest article. El fet que les càrregues elèctriques dels electrons i els protons semblin cancel·lar-se mútuament amb una precisió extrema és essencial per al món macroscòpic tal com el coneixem, però aquesta propietat important de les partícules elementals no s'explica en el model estàndard de la física de partícules. Si bé la descripció de les interaccions fortes i febles en el model estàndard es basa en simetries de gauge governades per grups de simetria SU(3) i SU(2) simples que només permeten càrregues discretes, el component restant, la interacció d'hipercàrrega feble, es descriu per l'abelià U(1), que en principi permetdistribució arbitrària de càrrecs.
La quantificació de càrrega observada, és a dir, el fet que totes les partícules elementals conegudes porten càrregues elèctriques que semblen ser múltiples exactes de ⅓ de la càrrega elemental, va portar a la idea que es podrien construir interaccions d'hipercàrrega i possiblement interaccions fortes i febles. en una gran interacció unificada descrita per un grup de simetria simple més gran que conté el model estàndard. Això predirà automàticament la naturalesa quantificada i els valors de totes les càrregues de partícules elementals. Com que també condueix a una predicció de les forces relatives de les interaccions subjacents que observem, en particular el feble angle de barreja, la Gran Unificació redueix idealment el nombre d'entrades independents, però també es limita a les observacions. Per universal que sembli la teoria de la Gran Unificada, els llibres sobre ella no són gaire populars.
Teoria de George-Glasgow (SU (5))
La gran unificació recorda la unificació de les forces elèctriques i magnètiques a la teoria de l'electromagnetisme de Maxwell al segle XIX, però el seu significat físic i l'estructura matemàtica són qualitativament diferents.
No obstant això, no és obvi que l'opció més senzilla possible per a la gran simetria unificada estesa sigui produir el conjunt correcte de partícules elementals. El fet que totes les partícules de matèria conegudes actualment encaixen bé en les tres teories de representació del grup SU(5) més petites i portin immediatament les càrregues observables correctes és un dels primers iles raons més importants per les quals la gent creu que la teoria gran unificada es pot realitzar realment a la natura.
Les dues representacions irreductibles més petites de SU(5) són 5 i 10. En la notació estàndard, 5 conté els conjugats de càrrega d'un triplet de color de tipus avall a la dreta i un doblet d'isospin de l'esquerra, mentre que 10 conté sis components d'un quark de tipus up, acoloreix un triplet d'un quark de tipus esquerra i un electró dret. Aquest esquema s'ha de reproduir per a cadascuna de les tres generacions conegudes de matèria. Cal destacar que la teoria no conté anomalies amb aquest contingut.
Els neutrins hipotètics de la mà dreta són un singlet SU(5), el que significa que la seva massa no està prohibida per cap simetria; no necessita trencar la simetria espontàniament, la qual cosa explica per què la seva massa serà gran.
Aquí, la unificació de la matèria és encara més completa, ja que la representació irreductible de l'espinor 16 conté tant el 5 com el 10 de SU(5) i els neutrins de la mà dreta, i per tant el contingut total de partícules d'una generació del model estàndard estès amb masses de neutrins. Aquest ja és el grup simple més gran que aconsegueix la unificació de la matèria en un esquema que inclou només partícules de matèria ja conegudes (excepte el sector de Higgs).
Com que els diferents fermions del model estàndard s'agrupen en representacions més grans, els GUT prediuen específicament les relacions entre les masses de fermions, com ara entre un electró iel quark down, el muó i el quark estrany, i el lepton tau i el quark down per SU(5). Algunes d'aquestes proporcions de massa són aproximades, però la majoria no.
SO(10) teoria
La matriu bosònica de SO(10) es troba prenent una matriu de 15×15 de representació de 10 + 5 de SU(5) i afegint una fila i una columna addicionals per al neutrin dret. Els bosons es poden trobar afegint un company a cadascun dels 20 bosons carregats (2 bosons W dretes, 6 gluons carregats massius i 12 bosons tipus X/Y) i afegint un bosó Z neutre extra pesat per fer 5 bosons neutres. La matriu bosònica tindrà un bosó o el seu nou soci a cada fila i columna. Aquests parells es combinen per crear les conegudes matrius d'espín de Dirac 16D SO(10).
Model estàndard
Les extensions no quirals del model estàndard amb espectres vectorials de partícules multiplets dividides que apareixen naturalment en SU(N) GUT superiors canvien significativament la física del desert i condueixen a una gran unificació realista (a escala de files) per als tres quark-leptons habituals. famílies fins i tot sense utilitzar la supersimetria (vegeu més avall). D' altra banda, a causa de l'aparició d'un nou mecanisme VEV desaparegut que sorgeix en el GUT supersimètric SU(8), es pot trobar una solució simultània al problema de la jerarquia de gauge (divisió doble-triplet) i al problema d'unificació de sabors.
Altres teories i partícules elementals
GUT amb quatre famílies/generacions, SU(8): suposant que 4 generacions de fermions en lloc de 3 generen un total de 64 tipus de partícules. Es poden situar en 64=8 + 56 representacions SU(8). Això es pot dividir en SU(5) × SU(3) F × U(1), que és la teoria SU(5), juntament amb alguns bosons pesats que afecten el nombre de generació.
GUT amb quatre famílies/generacions, O(16): De nou, suposant 4 generacions de fermions, 128 partícules i antipartícules poden encaixar en una única representació d'espinos O(16). Totes aquestes coses es van descobrir en el camí cap a la teoria gran unificada.
