تئوری یکپارچه بزرگ (GUT، GUT یا GUT - هر سه علامت اختصاری در مقاله استفاده خواهد شد) مدلی در فیزیک ذرات است که در آن، در انرژی بالا، سه برهمکنش سنج مدل استاندارد که الکترومغناطیسی را تعیین می کند. ، برهمکنش ها یا نیروها ضعیف و قوی در یک نیروی واحد ترکیب می شوند. این برهمکنش ترکیبی با یک تقارن گیج بزرگتر و در نتیجه چندین نیروی حامل، اما یک پیوند دائمی مشخص می شود. اگر یک اتحاد بزرگ در طبیعت اتفاق بیفتد، احتمال یک دوره اتحاد بزرگ در جهان اولیه وجود دارد که در آن نیروهای اساسی هنوز متفاوت نیستند.
نظریه یکپارچه بزرگ به طور خلاصه
مدل‌هایی که همه برهمکنش‌ها را با استفاده از یک گروه ساده به عنوان تقارن سنج یکسان نمی‌کنند، این کار را با استفاده از گروه‌های نیمه ساده انجام می‌دهند، می‌توانند ویژگی‌های مشابهی از خود نشان دهند و گاهی اوقات نظریه‌های وحدت بزرگ نیز نامیده می‌شوند.
ترکیب گرانش با سه نیروی دیگر به جای GUT، یک نظریه درباره همه چیز (OO) ارائه می دهد. با این حال، GUT اغلب به عنوان یک گام میانی به سمت OO در نظر گرفته می شود. همه اینها ایده های مشخصی برای تئوری های بزرگ اتحاد و ابر اتحاد هستند.
انتظار می رود ذرات جدید پیش بینی شده توسط مدل های GUT جرمی در حدود مقیاس GUT داشته باشند - فقط چند مرتبه قدر زیر مقیاس پلانک - و بنابراین برای هر گونه آزمایش برخورد دهنده ذرات پیشنهادی دور از دسترس هستند. بنابراین، ذرات پیش‌بینی‌شده توسط مدل‌های GUT را نمی‌توان مستقیماً مشاهده کرد، و در عوض، اثرات وحدت بزرگ را می‌توان از طریق مشاهدات غیرمستقیم مانند فروپاشی پروتون، گشتاورهای دوقطبی الکتریکی ذرات بنیادی یا خواص نوترینو تشخیص داد. برخی از روده ها، مانند مدل پتی سلام، وجود تک قطبی های مغناطیسی را پیش بینی می کنند.
ویژگی های مدل ها
مدل‌های GUT که هدفشان کاملاً واقع‌بینانه است، حتی در مقایسه با مدل استاندارد بسیار پیچیده هستند، زیرا باید زمینه‌ها و تعاملات اضافی یا حتی ابعاد اضافی فضا را معرفی کنند. دلیل اصلی این پیچیدگی در دشواری بازتولید توده های فرمیون مشاهده شده و زوایای اختلاط است که ممکن است به دلیل وجود برخی از تقارن های خانوادگی اضافی خارج از مدل های سنتی GUT باشد. به دلیل این دشواری و عدم وجود هر گونه اثر وحدت بزرگ قابل مشاهده، هنوز هیچ مدل GUT پذیرفته شده ای وجود ندارد.
اول از نظر تاریخییک GUT واقعی بر اساس گروه SU ساده لی توسط هوارد جورج و شلدون گلاشو در سال 1974 پیشنهاد شد. پیش از مدل جورجی-گلاشو، مدل پاتی سلام جبر دروغ نیمه ساده ارائه شده توسط عبدالسلام و جوگش پاتی، که برای اولین بار برهمکنش های سنج واحد را پیشنهاد کردند، ارائه شد.
سابقه نام
مخفف GUT (GUT) اولین بار در سال 1978 توسط محققان سرن، جان الیس، آندری بوراس، مری سی. گایارد و دیمیتری نانووپولوس ابداع شد، اما در نسخه نهایی مقاله خود GUM (توده وحدت بزرگ) را انتخاب کردند. Nanopoulos در اواخر همان سال اولین کسی بود که از این مخفف در مقاله استفاده کرد. به طور خلاصه، کارهای زیادی در راه رسیدن به نظریه وحدت بزرگ انجام شده است.
اشتراک مفاهیم
مخفف SU برای اشاره به نظریه های وحدت بزرگ استفاده می شود که در سراسر این مقاله به طور مکرر به آنها اشاره خواهد شد. این واقعیت که به نظر می‌رسد بارهای الکتریکی الکترون‌ها و پروتون‌ها یکدیگر را با دقت بسیار زیاد خنثی می‌کنند، برای دنیای ماکروسکوپی که ما می‌شناسیم ضروری است، اما این ویژگی مهم ذرات بنیادی در مدل استاندارد فیزیک ذرات توضیح داده نشده است. در حالی که توصیف برهمکنشهای قوی و ضعیف در مدل استاندارد مبتنی بر تقارن‌های گیج است که توسط گروه‌های تقارن SU(3) و SU(2) ساده کنترل می‌شوند که فقط بارهای گسسته را مجاز می‌کنند، جزء باقی‌مانده، برهمکنش پرشارژ ضعیف، توسط Abelian U(1)، که در اصل اجازه می دهدتوزیع خودسرانه هزینه ها.
کوانتیزاسیون بار مشاهده شده، یعنی این واقعیت که همه ذرات بنیادی شناخته شده حامل بارهای الکتریکی هستند که به نظر می رسد مضربی دقیق از ⅓ بار اولیه هستند، به این ایده منجر شد که برهمکنش های پرشارژ و احتمالاً برهمکنش های قوی و ضعیف را می توان ایجاد کرد. به یک برهمکنش یکپارچه بزرگ توصیف شده توسط یک گروه تقارن ساده بزرگتر حاوی مدل استاندارد. این به طور خودکار ماهیت کوانتیزه و مقادیر تمام بارهای ذرات بنیادی را پیش بینی می کند. از آنجایی که منجر به پیش‌بینی نقاط قوت نسبی برهمکنشهای زیربنایی که مشاهده می‌کنیم، به ویژه زاویه اختلاط ضعیف، Grand Unification به طور ایده‌آل تعداد ورودی‌های مستقل را کاهش می‌دهد، اما به مشاهدات نیز محدود می‌شود. همانطور که ممکن است نظریه یکپارچه بزرگ جهانی به نظر برسد، کتاب‌های مربوط به آن چندان محبوب نیستند.
نظریه جورجی-گلاسکو (SU (5))
اتحاد بزرگ یادآور اتحاد نیروهای الکتریکی و مغناطیسی در نظریه الکترومغناطیس ماکسول در قرن نوزدهم است، اما معنای فیزیکی و ساختار ریاضی آن از نظر کیفی متفاوت است.
با این حال، واضح نیست که ساده ترین انتخاب ممکن برای تقارن بزرگ یکپارچه گسترده، تولید مجموعه صحیح ذرات بنیادی باشد. این واقعیت که همه ذرات شناخته شده فعلی ماده به خوبی در سه نظریه نمایش گروه SU(5) کوچک قرار می گیرند و بلافاصله بارهای قابل مشاهده صحیح را حمل می کنند، یکی از اولین ومهمترین دلایلی که مردم بر این باورند که نظریه یکپارچه بزرگ واقعاً می تواند در طبیعت تحقق یابد.
دو کوچکترین نمایش تقلیل ناپذیر SU(5) 5 و 10 هستند. در نماد استاندارد، 5 حاوی بار مزدوج یک سه گانه رنگی راست دست و یک دوتایی ایزوسپین چپ چپ است، در حالی که 10 شامل شش جزء از یک کوارک نوع بالا، یک سه گانه از یک کوارک پایین دست چپ و یک الکترون راست دست است. این طرح باید برای هر یک از سه نسل شناخته شده ماده بازتولید شود. قابل ذکر است که این نظریه دارای ناهنجاری با این محتوا نیست.
نوترینوهای راست دست فرضی یک تک SU(5) هستند، به این معنی که جرم آن با هیچ تقارنی ممنوع نیست. نیازی به شکستن خود به خود تقارن ندارد، که توضیح می دهد که چرا جرم آن بزرگ خواهد بود.
در اینجا، یکسان سازی ماده حتی کامل تر است، زیرا نمایش اسپینور تقلیل ناپذیر 16 شامل 5 و 10 از SU(5) و نوترینوهای راست دست است، و بنابراین محتوای کل ذرات یک نسل از مدل استاندارد توسعه یافته با توده های نوترینو. این در حال حاضر بزرگترین گروه ساده ای است که به وحدت ماده در طرحی دست می یابد که فقط ذرات ماده از قبل شناخته شده را شامل می شود (به جز بخش هیگز).
از آنجایی که فرمیون های مختلف مدل استاندارد به نمایش های بزرگتر گروه بندی می شوند، GUT ها به طور خاص روابط بین جرم های فرمیون، مانند بین الکترون وکوارک پایین، میون، و کوارک عجیب؛ و لپتون تاو و کوارک پایین برای SU(5). برخی از این نسبت‌های جرم تقریبی هستند، اما اکثر آنها اینطور نیستند.
تئوری SO(10)
ماتریس بوزونی برای SO(10) با گرفتن یک ماتریس 15×15 از نمایش 10 + 5 از SU(5) و افزودن یک سطر و ستون اضافی برای نوترینوی راست پیدا می‌شود. بوزون ها را می توان با اضافه کردن یک شریک به هر یک از 20 بوزون باردار (2 بوزون W راست، 6 گلوئون باردار سنگین و 12 بوزون نوع X/Y) و افزودن یک بوزون خنثی Z اضافی سنگین برای ساخت 5 بوزون خنثی پیدا کرد. ماتریس بوزونی یک بوزون یا شریک جدید خود را در هر سطر و ستون خواهد داشت. این جفت‌ها برای ایجاد ماتریس‌های آشنای چرخشی 16 بعدی دیراک SO(10) ترکیب می‌شوند.
مدل استاندارد
توسعه‌های غیر کایرال مدل استاندارد با طیف برداری از ذرات چندگانه تقسیم‌شده که به طور طبیعی در روده‌های SU(N) بالاتر ظاهر می‌شوند، به طور قابل‌توجهی فیزیک صحرا را تغییر می‌دهند و منجر به یکپارچگی بزرگ واقعی (در مقیاس ردیف) برای سه کوارک-لپتون معمولی می‌شوند. خانواده ها حتی بدون استفاده از ابرتقارن (به زیر مراجعه کنید). از سوی دیگر، با توجه به ظهور یک مکانیسم جدید VEV گمشده که در GUT فوق متقارن SU(8) ظاهر می شود، می توان یک راه حل همزمان برای مشکل سلسله مراتب سنج (تقسیم دوگانه-سه گانه) و مسئله یکسان سازی طعم پیدا کرد.
سایر نظریه ها و ذرات بنیادی
GUT با چهار خانواده/نسل، SU(8): با فرض 4 نسل فرمیون به جای 3، در مجموع 64 نوع ذره تولید می شود. آنها را می توان در نمایش های 64=8 + 56 SU(8) قرار داد. این را می توان به SU(5) × SU(3) F × U(1)، که نظریه SU(5) است، به همراه برخی بوزون های سنگین که بر تعداد نسل تأثیر می گذارند، تقسیم کرد.
GUT با چهار خانواده/نسل، O(16): باز هم، با فرض 4 نسل فرمیون، 128 ذره و پادذره می توانند در یک نمایش اسپینور O(16) قرار گیرند. همه این چیزها در راه رسیدن به نظریه یکپارچه بزرگ کشف شد.
