Grand Unified Theories [1] ( Eng. Grand Unified Theory, GUT ) – az elemi részecskefizikában olyan elméleti modellek csoportja, amelyek az erős , gyenge és elektromágneses kölcsönhatásokat egységesen írják le. Feltételezzük, hogy rendkívül nagy energiáknál (10 14 GeV felett ) ezek a kölcsönhatások egyesülnek. [2] [3] Bár ezt az egységes kölcsönhatást közvetlenül nem figyelték meg, számos GUT modell megjósolja a létezését. Ha lehetséges e három erő egyesítése, akkor ez felveti a kérdést, hogy volt egy nagy egyesítő korszak a nagyon korai univerzumban, amelyben ez a három alapvető erő még nem vált el egymástól.
A kísérletek megerősítették, hogy nagy energiánál az elektromágneses erő és a gyenge erő együttesen egyetlen elektrogyenge erőt alkot . A GUT modellek azt jósolják, hogy kellően nagy energiák mellett az erős kölcsönhatások és az elektrogyenge kölcsönhatások egyetlen elektronnukleáris erővé egyesülnek. Ezt a kölcsönhatást egy egységes mérőszimmetria és ezért több erőhordozó, de egy egységes csatolási állandó jellemzi [4] . A gravitáció és az elektronnukleáris kölcsönhatás egyesítése a GUT helyett a mindenről (TV) szóló elmélethez vezetne . A TVO-t gyakran köztes lépésnek tekintik a tévéhez vezető úton.
A GUT-modellek által megjósolt új részecskék tömege várhatóan rendkívül nagy, egy GeV nagyságrendű – csak néhány nagyságrenddel marad el a GeV Planck-energiájánál –, és így messze meghaladják a belátható jövőben bármely részecskeütköztető kísérletet. [5] [6] . Így a GUT-modellek által megjósolt részecskék közvetlenül nem figyelhetők meg, ehelyett a Grand Unification hatások kimutathatók olyan közvetett megfigyelések révén, mint a protonbomlás [5] , az elemi részecskék elektromos dipólusmomentumai vagy a neutrínók tulajdonságai [7] . Egyes elméletek, mint például a Pati-Salam modell, megjósolják a mágneses monopólusok létezését .
A teljesen valósághűre törekvő GUT-modellek még a Standard Modellhez képest is meglehetősen összetettek, mivel extra mezőket és interakciókat, vagy akár extra térdimenziókat kell bevezetniük. [8] [9] Ennek a bonyolultságnak a fő oka a megfigyelt fermionos tömegek és keverési szögek reprodukálásának nehézségében rejlik, ami összefüggésbe hozható néhány további szimmetria meglétével, amelyek túlmutatnak a szokásos GUT modelleken. E nehézség miatt, valamint a GUT megfigyelhető hatásának hiánya miatt még mindig nincs általánosan elfogadott GUT modell.
Olyan modellek, amelyek nem kombinálják a három kölcsönhatást egyetlen egyszerű csoporttal mérőszimmetriaként, hanem félig egyszerű csoportokat használnak, amelyek hasonló tulajdonságokat mutathatnak, és amelyeket néha GUT-nak is neveznek. [2]
A grand unified modellek hátránya a nagyszámú részecskék és paraméterek [10] .
Sok elméleti fizikus azonban úgy véli, hogy nincs értelme ezeket a kölcsönhatásokat gravitáció nélkül kombinálni, és a „nagy egyesüléshez” vezető út egy „ minden elmélet ” megalkotásán keresztül vezet , amely valószínűleg a kvantumgravitáció egyik elméletén alapul. .
Történelmileg az első valódi GUT-t, amely az egyszerű Lee-csoporton SU(5) alapult, Howard Georgi és Sheldon Glashow javasolta 1974-ben [11] [3] . A Georgie-Glashow modellt a Lee Pati-Salam félig egyszerű algebra modell előzte meg, amelyet Abdus Salam és Jogesh Pati [12] javasolt, akik úttörő szerepet játszottak a mérőműszer-kölcsönhatások egységesítésében.
Az HBO rövidítést először 1978-ban a CERN tudósai, John Ellis, Andrzej Buras, Mary K. Gaillard és Dimitri Nanopoulos alkották meg, de cikkük végső változatában [13] kisebb jelentést választottak (a tömegek nagyszerű egyesítése). Még abban az évben Nanopoulos [14] volt az első, aki a rövidítést használta a dolgozatban [15] .
Nagyon fontos az a „feltevés”, hogy az elektronok és a protonok elektromos töltései mintegy kiegyenlítik egymást - az általunk ismert makroszkopikus világ létéhez egyenlőségük lehető legnagyobb pontossága szükséges. Az elemi részecskék ilyen fontos tulajdonságát azonban az elemi részecskefizika standard modellje nem magyarázza meg. Míg a Standard Modellben az erős és gyenge kölcsönhatások leírása mérőszimmetriákon alapul, és az SU(3) és SU(2) egyszerű szimmetriacsoportok szabályozzák , amelyek csak diszkrét töltéseket tesznek lehetővé, a többit, a gyenge hipertöltést a az U(1) Abel-szimmetria . , amely elvileg tetszőleges forrástöltést tesz lehetővé. [16] A megfigyelt töltéskvantálás, nevezetesen az a feltevés, hogy minden ismert elemi részecske olyan elektromos töltést hordoz, amely az elemi töltés egyharmadának pontosan többszöröse, arra az elképzelésre vezetett, hogy a túltöltési kölcsönhatások, valamint az esetlegesen erős és gyenge kölcsönhatások beépíthetők egy nagy egységes kölcsönhatás, amelyet egyetlen, nagyobb, egyszerű szimmetriacsoport ír le, amely tartalmazza a Standard Modellt. Így az elemi részecskék összes töltésének kvantált természete és értéke automatikusan megmagyarázásra kerül. Ez az általunk megfigyelt alapvető kölcsönhatások relatív erősségének előrejelzéséhez is vezet, különösen a gyenge keverési szög tekintetében. Szintén a nagyobb egységesítés ideális esetben csökkenti a független bemeneti paraméterek számát, de fejlesztését gátolja a kísérleti adatok hiánya.
A nagy egyesülés a 19. századi Maxwell-féle elektromágneses elmélet által az elektromos és mágneses erők egyesítésére emlékeztet , de fizikai következményei és matematikai struktúrái minőségileg eltérőek.
SU(5) a legegyszerűbb KETTŐ. Az első TVO alapjául szolgáló standard modellt tartalmazó legkisebb egyszerű Lie csoport [5] :
.Az ilyen csoportszimmetriák lehetővé teszik, hogy több ismert elemi részecskét egyetlen mező különböző állapotainak tekintsünk. Nem nyilvánvaló azonban, hogy a GUT kiterjesztett szimmetriájának lehető legegyszerűbb változata adja meg az elemi részecskék tulajdonságainak helyes listáját. Az a tény, hogy az összes jelenleg ismert anyagrészecske tökéletesen illeszkedik az SU(5) legkisebb csoportreprezentációjának három másolatába, és azonnal a helyes megfigyelhető töltéseket hordozza, az egyik első és legfontosabb ok, amiért az elméleti fizikusok úgy vélik, hogy a GUT valóban megvalósítható. a természetben.
Az SU(5) két legkisebb irreducibilis reprezentációja az 5 (a meghatározó reprezentáció) és a 10 . A szabványos ábrázolásban az 5 -ös egy balkezes d -kvark színhármas és egy balkezes lepton izospin dublett töltéskonjugációját tartalmazza [3] , míg a 10 -es hat u -típusú kvark típusú komponenst , egy balkezes d-kvarkot tartalmaz. színhármas , és egy jobbkezes elektron. Ezt a sémát az anyag mindhárom ismert generációjára kell reprodukálni . Figyelemre méltó, hogy az elmélet nem tartalmaz anomáliákat ezzel az anyagtartalommal.
A hipotetikus jobbkezes neutrínók egy SU(5) szingulett , ami azt jelenti, hogy tömegüket semmilyen szimmetria nem tiltja; nincs szüksége spontán szimmetriatörésre, ami megmagyarázza, miért lenne nehéz a tömege (lásd a libikóka mechanizmusát).
Az SU(5) TVO modell megmagyarázza, hogy a d-kvark töltése miért 1/3, és megjósolja a proton bomlását és a mágneses monopólus létezését [3] .
A standard modellt tartalmazó következő egyszerű Lie csoport [3] :
.Itt az anyag egyesítése még teljesebb, mivel a 16 irreducibilis spin - ábrázolás az SU(5) 5 - ös és 10 -es típusát egyaránt tartalmazza , és a jobb oldali neutrínókból is, és ezzel kiegészíti a kiterjesztett standard modell egy generációjának részecskéinek leírását. hatalmas neutrínók . Ez már a legnagyobb egyszerű csoport , amelynek segítségével egyetlen sémát lehet létrehozni az anyag leírására, amely csak a már ismert anyagrészecskéket tartalmazza (kivéve a Higgs szektorba tartozókat ).
Mivel a standard modell különböző fermionjai közös reprezentációk alapján vannak csoportosítva, a GUT különösen a fermiontömegek közötti kapcsolatokat jósolja meg, például az elektron és a d-kvark , a müon és az s-kvark , valamint a tau-lepton és a b-kvark közötti kapcsolatokat SU esetében (5) és SO(10) . Ezen tömegarányok egy része megközelítőleg fennáll, de a legtöbb nem (lásd Georgie-Jarlskog tömegarányt ).
Az SO(10) bozonikus mátrixát úgy kapjuk meg, hogy vesszük az SU(5) 10 + 5 reprezentációjának 15 × 15 mátrixát , és hozzáadunk egy további sort és oszlopot a jobbkezes neutrínó számára . A bozonokat úgy írják le, hogy mind a 20 töltött bozonhoz (2 jobb oldali W-bozonhoz, 6 masszív töltésű gluonhoz és 12 X/Y típusú bozonhoz) adunk egy-egy partnert, és egy további nehéz semleges Z-bozont adunk hozzá, így összesen 5-öt kapunk. semleges bozonok. A bozonmátrix minden sora és oszlopa tartalmazni fog egy bozont vagy annak új partnerét. Ezeket a párokat kombinálják a híres 16 dimenziós Dirac-spinormátrixok SO(10) létrehozásához .
A húrelmélet egyes formáiban , beleértve az "E" 8 × "E" 8 heterotikus húrelméletet is , a kapott négydimenziós elmélet egy hatdimenziós Calabi-Yau sokaságon végzett spontán tömörítés után az E 6 csoporton alapuló GUT-ra hasonlít . Figyelemre méltó, hogy az E 6 csak egy kivételesen egyszerű Lie-csoport , annak érdekében, hogy bármilyen összetett reprezentációt lehessen alkotni, amely királis fermionokat (nevezetesen az összes gyengén kölcsönható fermiont) tartalmazó elmélet megalkotásához szükséges. Ezért a másik négy ( G 2 , F 4 , E 7 és E 8 ) nem lehet HBO mérőcsoport.
A Standard Modell nem királis kiterjesztése a magasabb SU(N) GUT-ban természetesen megjelenő, hasított multiplett részecskék vektorspektrumaival jelentősen módosítja a nagyenergiájú fizikát, és valósághű (húrléptékű) nagy egyesüléshez vezet a szokásos három kvark-lepton család számára. akár szuperszimmetria alkalmazása nélkül is (lásd . alább). Másrészt a szuperszimmetrikus SU(8) TVO-ban fellépő új hiányzó VEV-mechanizmus miatt egyszerre lehet megoldást találni a szelvényhierarchia problémájára (dublett-triplet hasítás) és az ízegyesítési problémára [17].
GUT négy családdal/generációval, SU(8) : Tegyük fel, hogy 4 fermiongeneráció 3 helyett összesen 64 típusú részecske. Az SU(8) 64 = 8 + 56 reprezentációjába tehetők . Ez felosztható a következőre: SU(5) × SU(3) F × U (1) az SU(5) elmélet , valamint néhány nehéz bozon, amelyek a generációszámra hatnak.
GUT négy családdal/generációval, O(16) : Feltételezve, hogy ismét 4 generációs fermionok, a 128 részecskék és az antirészecskék elhelyezhetők egy O(16) spinor reprezentációban .
Figyelembe vehetjük a szimplektikus szelvénycsoportokat is. Például az Sp(8) -nak (amelyet Sp(4) -nek hívnak a szimplektikus csoport cikkben ) egy 4 × 4 -es kvaterner unitárius mátrix feltételreprezentációja van, amelynek "16" dimenziós valós reprezentációja van, és így lehet szelvénycsoport jelöltjének tekintik . Az Sp(8) 32 töltött bozont és 4 semleges bozont tartalmaz. Alcsoportjai közé tartozik az SU(4) , így legalább gluonokat és egy SU (3) × U (1) fotont tartalmazhat . Bár ebben az ábrázolásban ez valószínűleg lehetetlen, a gyenge bozonok királis fermionokra hatnak. A fermionok kvaterniós reprezentációja a következő lehet:
Egy másik bonyodalom a fermionok kvaterniós ábrázolásával kapcsolatban, hogy kétféle szorzás létezik, a bal és a jobb oldali szorzás, amelyeket figyelembe kell venni. Kiderült, hogy a bal és a jobb oldali 4 × 4-es kvaternió mátrixok beleszámítása egyenértékű egy jobb oldali szorzással az azonos kvaternióval, ami hozzáad egy extra SU(2) -t, és így tovább, van egy extra semleges bozon és még két töltött bozon. Így a bal- és jobbkezes 4 × 4 -es kvaterniómátrixok csoportja Sp(8) × SU (2) , amely tartalmazza a Standard Modell bozonokat:
Ha egy kvaternióval jelölt spinor, az Sp(8) -ból eredő Hermitian 4×4 mátrix kvaterniona , és egy tiszta képzeletbeli kvaternió (mindkettő 4 vektoros bozon), akkor a kölcsönhatási tag:
Egy 16 fermionból álló generáció ábrázolható oktonionként , ahol az oktonion minden eleme 8-vektor. Ha ezután 3 generációt helyezünk el egy 3x3-as hermitiánus mátrixban, az átlós bejegyzések speciális kiegészítésével, akkor ezek a mátrixok egy kivételes Jordan algebrát alkotnak , amelynek szimmetriacsoportja a kivételes Lie csoportok egyike (F 4 , E 6 , E 7 vagy E ). 8 ) a részletektől függően.
Mivel fermionok, a Jordan algebra antikommutátorai kommutátorokká válnak. Ismeretes, hogy az E 6 -nak van egy O(10) alcsoportja , ezért elég nagy ahhoz, hogy magában foglalja a szabványos modellt is . Egy E 8 méretű csoport például 8 semleges bozont, 120 töltött bozont és 120 töltött antibozont tartalmazna. A legkisebb E 8 multiplett 248 fermionjának figyelembevételéhez vagy antirészecskéket kell tartalmazniuk (és így már van baryogenesis ), vagy új, fel nem fedezett részecskéket kell figyelembe venni, vagy figyelembe kell venni a bozonok gravitációs szerű kapcsolódását, amely befolyásolja az elemi test forgásirányát. részecskék. Mindegyik magyarázati módnak megvannak a maga elméleti problémái.
Más szerkezeteket is javasoltak, beleértve a Lie 3-algebrákat és a Lie szuperalgebrákat. Egyik sem áll összhangban a Yang-Mills elmélettel . A Lie-szuperalgebrák különösen hibás statisztikákkal rendelkező bozonokat vezetnek be. A szuperszimmetria azonban összhangban van a Yang-Mills elmélettel. Például az N=4 Yang-Mills szuperelmélethez az SU("N") mérőcsoport szükséges .
Az erők egyesítése a kvantumtérelméletben a kölcsönhatási állandó erősségének energiaskála-függése révén lehetséges , amelyet futó csatolási állandónak neveznek . Ez a jelenség lehetővé teszi, hogy a közönséges energiáknál nagyon eltérő értékű kölcsönhatási állandók összekapcsolódjanak, hogy sokkal nagyobb energiáknál azonos értékhez konvergáljanak. [7] [3]
A három mérőműszer kölcsönhatás renormalizációs csoportjának számításai a Standard Modellben azt mutatják, hogy mindhárom kölcsönhatási állandó majdnem ugyanabban a pontban találkozik, ha a túltöltést úgy normalizáljuk, hogy az összhangban legyen az SU(5) vagy SO(10) TVO csoportokkal. ezek a TVO-csoportok a fermionok egyszerű egyesítéséhez vezetnek [4] . Ez azért fontos eredmény, mert más Lie-csoportok eltérő normalizáláshoz vezetnek. Ha azonban a minimális szuperszimmetrikus standard modell szuperszimmetrikus kiterjesztését használjuk a standard modell helyett, az egyezés sokkal pontosabb lesz. Ebben az esetben az erős és az elektrogyenge kölcsönhatások csatolási állandói a Grand Unification energiánál, más néven GUT skálán találkoznak [4] :
.Általában úgy gondolják, hogy ez az egybeesés nem véletlen, és gyakran a szuperszimmetrikus elmélet további vizsgálatának egyik fő motivációjaként említik, annak ellenére, hogy kísérletileg nem figyeltek meg szuperszimmetrikus partnerrészecskéket. Ezenkívül a legtöbb modellkészítő egyszerűen a szuperszimmetriát részesíti előnyben , mert ez megoldja a hierarchia problémáját – vagyis stabilizálja az elektrogyenge Higgs-bozon tömegét a sugárzási korrekciók miatt . [négy]
Mivel a jobbkezes neutrínók Majorana tömegét az SO(10) szimmetria tiltja, az SO (10) HUT-ok azt jósolják, hogy a jobbkezes neutrínók Majorana tömegei közel lesznek a Grand Unification energiához, amikor spontán szimmetriatörés következik be . A szuperszimmetrikus GUT-okban ez az energia általában nagyobb, mint a kívánatos lenne egy reális megközelítés fényében, különösen a balkezes neutrínók esetében (lásd: neutrínó oszcillációk ) a libikóka mechanizmust használva. Ezek az előrejelzések a Georgie-Janskog tömegaránytól függenek, és egyes GUT-ok eltérő fermion tömegarányokat jósolnak.
Számos TBO-t javasoltak, de jelenleg egyiket sem fogadják el. Még ambiciózusabb a mindenre vonatkozó elmélet , amely magában foglalja az összes alapvető erőt , beleértve a gravitációt is . A TVO főbb modelljei:
|
|
Nem egészen a TVO:
|
Megjegyzés : minden modellhez tartozik a megfelelő Lie algebra , nem pedig a Lie csoport . A Lie csoport lehet például [SU(4) × SU(2) × SU(2)]/ Z 2 .
A legígéretesebb jelölt az SO(10) [18] [19] . A (Minimum GUT modell) SO(10) nem tartalmaz egzotikus fermionokat (vagyis további fermionokat a fermionok és jobbkezes neutrínók standard modelljében szereplőkön túl), és ezek minden generációját egyetlen irreducibilis reprezentációba egyesíti. . Számos más HBO-modell a SO(10) alcsoportjain alapul . Köztük van a minimális bal-jobb modell , az SU(5) , az invertált SU(5) és a Pati-Salam modell . A TVO E 6 csoport tartalmaz SO(10) -et , de az erre épülő modellek sokkal összetettebbek. Az E 6 modell tanulmányozásának fő oka az E 8 × E 8 heterotikus húrelméletből következik .
A GUT modellek általában megjósolják a topológiai hibák , például mágneses monopólusok , kozmikus húrok , tartományfalak és mások létezését. De ezen tárgyak egyikét sem találták meg a természetben. Hiányukat a kozmológia monopólusproblémájaként ismerik. Sok GUT-modell a protonbomlást is előrejelzi , bár a Pati-Salam modell nem; protonbomlást kísérletekben soha nem figyeltek meg. A proton élettartamának minimális kísérleti határa nagymértékben kizárja a minimális SU(5) értéket , és szigorúan korlátozza a többi modellt. A szuperszimmetria máig felfedezett hiánya számos modell kifejlesztését is gátolja.
Protonbomlás: X bozon SU(5) TVO -ba
Protonbomlás: X bozon invertált SU(5) TVO -ban
Protonbomlás: Higgs-hármas és anti-Higgs-hármas az SU(5) TWO -ban
Egyes GUT elméletek, mint például az SU(5) és SO(10) szenvednek az úgynevezett dublett-triplet felosztási problémától. Ezek az elméletek azt jósolják, hogy minden elektrogyenge Higgs-dubletthez tartozik egy nagyon kis tömegű (sok nagyságrenddel kisebb, mint a GUT-skála) megfelelő színhármas Higgs-mező . A kvarkokat leptonokkal kombináló elméletben a Higgs-dublettet a Higgs-hármassal is kombinálják. Ilyen hármasokat nem találtak. Ezenkívül rendkívül gyors protonbomlást okoznának (jóval a jelenlegi kísérleti határértékek alatt), és megakadályoznák, hogy egyetlen renormalizációs csoportban figyelembe vegyék a mértékegységesítő erőket.
A legtöbb GUT-modell az anyagmezők háromszoros replikációját igényli. Mint ilyenek, nem magyarázzák meg, miért létezik pontosan három fermiongeneráció. A legtöbb GUT modell nem magyarázza meg a fermiontömegek közötti hierarchiát a különböző generációk számára.
A TVO modell egy mérőműszercsoportból áll, amely egy kompakt Lie csoport. A Yang-Mills akciót ebben a modellben egy invariáns szimmetrikus bilineáris forma adja meg a Lie algebra felett (amelyet minden tényezőhöz egy csatolási állandó ad meg), a Higgs-szektor pedig skaláris mezők sorozatából áll, amelyek értéket vesznek fel a a Lie csoport és a királis Weyl fermion valós/komplex reprezentációja, amely a Lie csoport komplex reprezentációján belül vesz fel értékeket. A Lie csoport tartalmazza a Standard Modell csoportot, a Higgs-mezők pedig VEV-t szereznek, ami spontán szimmetriatöréshez vezet a Standard Modellben . A Weyl-fermionok az anyagot képviselik.
Jelenleg nincs meggyőző bizonyíték arra, hogy a természetet a KETTŐ írja le. A neutrínó oszcillációinak felfedezése azt jelzi, hogy a Standard Modell hiányos, és új érdeklődést váltott ki egy bizonyos GUT, például az SO(10) iránt . A néhány lehetséges kísérleti teszt egyike egy bizonyos GUT esetében a proton bomlása és a fermionok tömege. Van még néhány speciális teszt a szuperszimmetrikus HUT-ra. Azonban a kísérletből származó minimális protonélettartam (amikor a 10 34 -10 35 év tartományba esik vagy meghaladja ) kizárta az egyszerűbb GUT-okat és a legtöbb nem szuperszimmetrikus modellt. A proton élettartamának maximális felső határa (ha instabil) 6 x 10 39 év a SUSY modelleknél és 1,4 x 10 36 év a minimális, nem szuperszimmetrikus GUT modelleknél. [húsz]
...a részecskék GeV energiára való felgyorsítása, ami az erős és az elektrogyenge kölcsönhatások "nagy egyesülésének" felel meg, egy Naprendszer méretű gyorsítót igényelne. Ha pedig a „Planck-energia” GeV-ig akarunk haladni (ezen a ponton a kvantumgravitációs hatások jelentőssé válnak), akkor egy gyorsítót kellene építenünk, aminek a gyűrűje körülbelül 10 fényév hosszúságú lenne.
Sisakyan A.N. Válogatott előadások a részecskefizikáról. - Dubna, JINR, 2004. - p. 95standard modellen túl | Fizika a|
---|---|
Bizonyíték | |
elméletek | |
szuperszimmetria | |
kvantumgravitáció | |
Kísérletek |