Grand Unified Theory (GUT, GUT o GUT - tutte e tre le abbreviazioni saranno usate nell'articolo) è un modello di fisica delle particelle in cui, ad alta energia, le tre interazioni di gauge del modello standard che determinano l'elettromagnetismo, interazioni o forze deboli e forti sono combinate in un'unica forza. Questa interazione combinata è caratterizzata da una simmetria di calibro maggiore, e quindi da diverse forze portanti, ma un legame permanente. Se si verifica una grande unificazione in natura, c'è la possibilità di un'era di grande unificazione nell'universo primordiale in cui le forze fondamentali non sono ancora diverse.
La grande teoria unificata in breve
I modelli che non uniscono tutte le interazioni utilizzando un gruppo semplice come simmetria di gauge, lo fanno utilizzando gruppi semisemplici, possono mostrare proprietà simili e talvolta sono anche chiamati teorie della grande unificazione.
Combinare la gravità con le altre tre forze fornirebbe una teoria del tutto (OO) piuttosto che un GUT. Tuttavia, GUT è spesso visto come un passaggio intermedio verso OO. Queste sono tutte idee caratteristiche delle grandi teorie dell'unificazione e della superunificazione.
Le nuove particelle previste dai modelli GUT dovrebbero avere masse intorno alla scala GUT - solo pochi ordini di grandezza al di sotto della scala di Planck - e quindi fuori portata per qualsiasi esperimento di collisione di particelle proposto. Pertanto, le particelle previste dai modelli GUT non possono essere osservate direttamente e, invece, gli effetti di grande unificazione possono essere rilevati attraverso osservazioni indirette come il decadimento del protone, i momenti di dipolo elettrico delle particelle elementari o le proprietà dei neutrini. Alcuni GUT, come il modello Pati Salam, prevedono l'esistenza di monopoli magnetici.
Caratteristiche dei modelli
I modelli GUT, che mirano ad essere completamente realistici, sono piuttosto complessi, anche rispetto al modello standard, perché devono introdurre campi e interazioni aggiuntivi, o anche dimensioni di spazio aggiuntive. La ragione principale di questa complessità risiede nella difficoltà di riprodurre le masse dei fermioni osservati e gli angoli di miscelazione, che possono essere dovuti all'esistenza di alcune simmetrie familiari aggiuntive al di fuori dei tradizionali modelli GUT. A causa di questa difficoltà e dell'assenza di qualsiasi effetto di grande unificazione osservabile, non esiste ancora un modello GUT generalmente accettato.
Storicamente primaun vero GUT basato sul semplice gruppo SU di Lee fu proposto da Howard George e Sheldon Glashow nel 1974. Il modello Georgi-Glashow è stato preceduto dal modello semisemplice dell'algebra di Lie Pati-Salam proposto da Abdus Salam e Jogesh Pati, che per primi hanno proposto interazioni di gauge unificanti.
Cronologia dei nomi
L'abbreviazione GUT (GUT) è stata coniata per la prima volta nel 1978 dai ricercatori del CERN John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard e Dmitry Nanopoulos, ma nella versione finale del loro articolo hanno scelto GUM (grande massa di unificazione). Nanopoulos nello stesso anno fu il primo a usare l'acronimo in un articolo. In breve, molto lavoro è stato fatto sulla strada per la Teoria della Grande Unificazione.
Comunita di concetti
L'abbreviazione SU è usata per riferirsi alle teorie della grande unificazione, a cui si farà spesso riferimento in questo articolo. Il fatto che le cariche elettriche di elettroni e protoni sembrino annullarsi a vicenda con estrema precisione è essenziale per il mondo macroscopico come lo conosciamo, ma questa importante proprietà delle particelle elementari non è spiegata nel modello standard della fisica delle particelle. Mentre la descrizione delle interazioni forte e debole nel Modello Standard si basa su simmetrie di gauge governate da semplici gruppi di simmetria SU(3) e SU(2) che consentono solo cariche discrete, la componente rimanente, l'interazione di ipercarica debole, è descritta da l'Abeliano U(1), che in linea di principio consentedistribuzione arbitraria delle spese.
La quantizzazione della carica osservata, ovvero il fatto che tutte le particelle elementari conosciute portano cariche elettriche che sembrano essere multipli esatti di ⅓ della carica elementare, ha portato all'idea che si potrebbero costruire interazioni di ipercarica e possibilmente interazioni forti e deboli in una grande interazione unificata descritta da un gruppo di simmetria semplice più grande contenente il modello standard. Questo predice automaticamente la natura quantizzata e i valori di tutte le cariche di particelle elementari. Poiché porta anche a una previsione dei punti di forza relativi delle interazioni sottostanti che osserviamo, in particolare il debole angolo di miscelazione, Grand Unification riduce idealmente il numero di input indipendenti, ma è anche limitato alle osservazioni. Per quanto universale possa sembrare la teoria della grande unificazione, i libri su di essa non sono molto popolari.
Teoria di Georgie-Glasgow (SU (5))
La grande unificazione ricorda l'unificazione delle forze elettriche e magnetiche nella teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell nel 19° secolo, ma il suo significato fisico e la struttura matematica sono qualitativamente differenti.
Tuttavia, non è ovvio che la scelta più semplice possibile per la grande simmetria unificata estesa sia quella di produrre l'insieme corretto di particelle elementari. Il fatto che tutte le particelle di materia attualmente conosciute si adattino bene alle tre teorie di rappresentazione del gruppo SU(5) più piccole e portino immediatamente le corrette cariche osservabili è uno dei primi ele ragioni più importanti per cui le persone credono che la teoria della grande unificazione possa effettivamente essere realizzata in natura.
Le due rappresentazioni irriducibili più piccole di SU(5) sono 5 e 10. Nella notazione standard, 5 contiene i coniugati di carica di una tripletta di colori di tipo basso destrorso e un doppietto di isospin sinistro-sinistro, mentre 10 contiene sei componenti di un quark di tipo up, colora una tripletta di un quark di tipo down mancino e un elettrone di mano destra. Questo schema deve essere riprodotto per ciascuna delle tre generazioni conosciute di materia. È interessante notare che la teoria non contiene anomalie con questo contenuto.
I neutrini ipotetici destrimani sono una singoletto SU(5), il che significa che la sua massa non è vietata da alcuna simmetria; non ha bisogno di rompere spontaneamente la simmetria, il che spiega perché la sua massa sarà grande.
Qui, l'unificazione della materia è ancora più completa, poiché la rappresentazione spinore irriducibile 16 contiene sia 5 che 10 di SU(5) e neutrini destrorsi, e quindi il contenuto totale di particelle di una generazione del modello standard esteso con masse di neutrini. Questo è già il più grande gruppo semplice che realizza l'unificazione della materia in uno schema che include solo particelle di materia già note (ad eccezione del settore di Higgs).
Poiché i vari fermioni del modello standard sono raggruppati in rappresentazioni più grandi, i GUT predicono specificamente le relazioni tra le masse dei fermioni, come tra un elettrone edown quark, muon e strange quark, e il tau lepton e down quark per SU(5). Alcuni di questi rapporti di massa sono approssimativi, ma la maggior parte no.
SO(10) teoria
La matrice bosonica per SO(10) si trova prendendo una matrice 15×15 di rappresentazione 10 + 5 di SU(5) e aggiungendo una riga e una colonna extra per il neutrino destro. I bosoni possono essere trovati aggiungendo un partner a ciascuno dei 20 bosoni carichi (2 bosoni W destri, 6 gluoni carichi massicci e 12 bosoni di tipo X/Y) e aggiungendo un bosone Z neutro extra pesante per formare 5 bosoni neutri. La matrice bosonica avrà un bosone o il suo nuovo partner in ogni riga e colonna. Queste coppie si combinano per creare le familiari matrici di spin Dirac 16D SO(10).
Modello standard
Le estensioni non chirali del modello standard con spettri vettoriali di particelle multiplet divise che appaiono naturalmente in GUT SU(N) superiori cambiano significativamente la fisica del deserto e portano a una grande unificazione realistica (su scala di righe) per i soliti tre quark-leptoni famiglie anche senza usare la supersimmetria (vedi sotto). D' altra parte, a causa dell'emergere di un nuovo meccanismo VEV mancante che emerge nel supersimmetrico SU(8) GUT, è possibile trovare una soluzione simultanea al problema della gerarchia di gauge (divisione doppietto-tripletto) e al problema dell'unificazione del sapore.
Altre teorie e particelle elementari
GUT con quattro famiglie/generazioni, SU(8): supponendo che 4 generazioni di fermioni invece di 3 generino un totale di 64 tipi di particelle. Possono essere collocati in 64=8 + 56 rappresentazioni SU(8). Questo può essere diviso in SU(5) × SU(3) F × U(1), che è la teoria SU(5), insieme ad alcuni bosoni pesanti che influenzano il numero di generazione.
GUT con quattro famiglie/generazioni, O(16): Anche in questo caso, supponendo 4 generazioni di fermioni, 128 particelle e antiparticelle possono rientrare in una singola rappresentazione di spinori O(16). Tutte queste cose sono state scoperte sulla strada per la teoria della grande unificazione.
