დიდი ერთიანი თეორია (GUT, GUT ან GUT - სამივე შემოკლება გამოყენებული იქნება სტატიაში) არის მოდელი ნაწილაკების ფიზიკაში, რომელშიც, მაღალი ენერგიის დროს, სტანდარტული მოდელის სამი ლიანდაგის ურთიერთქმედება, რომელიც განსაზღვრავს ელექტრომაგნიტურს. სუსტი და ძლიერი ურთიერთქმედება ან ძალები გაერთიანებულია ერთ ძალაში. ამ კომბინირებულ ურთიერთქმედებას ახასიათებს უფრო დიდი დიამეტრის ერთი სიმეტრია და, შესაბამისად, რამდენიმე მატარებელი ძალები, მაგრამ ერთი მუდმივი ბმა. თუ ბუნებაში გრანდიოზული გაერთიანება ხდება, ადრეულ სამყაროში არსებობს დიდი გაერთიანების ეპოქის შესაძლებლობა, რომელშიც ფუნდამენტური ძალები ჯერ კიდევ არ განსხვავდებიან.
მოკლედ დიდი ერთიანი თეორია
მოდელებს, რომლებიც არ აერთიანებს ყველა ურთიერთქმედებას ერთი მარტივი ჯგუფის გამოყენებით, როგორც ლიანდაგის სიმეტრია, ამას აკეთებენ ნახევრად მარტივი ჯგუფების გამოყენებით, შეუძლიათ აჩვენონ მსგავსი თვისებები და ზოგჯერ ასევე უწოდებენ გრანდიოზული გაერთიანების თეორიებს.
გრავიტაციის გაერთიანება დანარჩენ სამ ძალასთან იძლევა ყველაფრის თეორიას (OO) და არა GUT-ს. თუმცა, GUT ხშირად განიხილება, როგორც შუალედური ნაბიჯი OO-სკენ. ეს ყველაფერი დამახასიათებელი იდეებია გაერთიანებისა და ზეგაერთიანების დიდი თეორიებისთვის.
GUT მოდელების მიერ პროგნოზირებულ ახალ ნაწილაკებს, სავარაუდოდ, ექნებათ მასები GUT-ის მასშტაბის გარშემო - სიდიდის მხოლოდ რამდენიმე რიგით ქვემოთ პლანკის შკალაზე - და, შესაბამისად, მიუწვდომელია ნაწილაკების კოლაიდერის ნებისმიერი შემოთავაზებული ექსპერიმენტისთვის. ამიტომ, GUT მოდელების მიერ ნაწინასწარმეტყველები ნაწილაკები პირდაპირ დაკვირვება შეუძლებელია და ამის ნაცვლად, დიდი გაერთიანების ეფექტები შეიძლება გამოვლინდეს არაპირდაპირი დაკვირვებებით, როგორიცაა პროტონის დაშლა, ელემენტარული ნაწილაკების ელექტრული დიპოლური მომენტები ან ნეიტრინო თვისებები. ზოგიერთი GUT, როგორიცაა Pati Salam მოდელი, პროგნოზირებს მაგნიტური მონოპოლების არსებობას.
მოდელების მახასიათებლები
GUT მოდელები, რომლებიც მიზნად ისახავს იყოს სრულიად რეალისტური, საკმაოდ რთულია, თუნდაც სტანდარტულ მოდელთან შედარებით, რადგან მათ უნდა შემოიტანონ დამატებითი ველები და ურთიერთქმედებები, ან თუნდაც სივრცის დამატებითი ზომები. ამ სირთულის მთავარი მიზეზი მდგომარეობს ფერმიონის მასების რეპროდუცირების და კუთხეების შერევის სირთულეში, რაც შეიძლება გამოწვეული იყოს ზოგიერთი დამატებითი ოჯახის სიმეტრიის არსებობით ტრადიციული GUT მოდელების გარეთ. ამ სირთულისა და რაიმე შესამჩნევი გაერთიანების ეფექტის არარსებობის გამო, ჯერ კიდევ არ არსებობს ზოგადად მიღებული GUT მოდელი.
ისტორიულად პირველინამდვილი GUT, რომელიც დაფუძნებულია ლის მარტივ SU ჯგუფზე, შემოგვთავაზეს ჰოვარდ ჯორჯმა და შელდონ გლაშოუმ 1974 წელს. გეორგი-გლაშოუს მოდელს წინ უძღოდა ნახევრადმარტივი Lie algebra Pati-Salam მოდელი, რომელიც შემოთავაზებული იყო აბდუს სალამისა და ჯოგეშ ფატის მიერ, რომლებმაც პირველად შემოგვთავაზეს გამაერთიანებელი ლიანდაგის ურთიერთქმედება..
სახელის ისტორია
აბრევიატურა GUT (GUT) პირველად გამოიგონეს 1978 წელს CERN-ის მკვლევარებმა ჯონ ელისმა, ანდჟეი ბურასმა, მერი ს. გეიარდმა და დიმიტრი ნანოპულოსმა, მაგრამ მათი სტატიის საბოლოო ვერსიაში მათ აირჩიეს GUM (დიდი გაერთიანების მასა). იმავე წელს ნანოპულოსმა პირველმა გამოიყენა აკრონიმი სტატიაში. მოკლედ, დიდი ერთიანი თეორიის გზაზე ბევრი სამუშაო გაკეთდა.
ცნებების საერთოობა
აბრევიატურა SU გამოიყენება გრანდიოზული გაერთიანების თეორიების აღსანიშნავად, რომლებიც ხშირად იქნება მოხსენიებული ამ სტატიაში. ის ფაქტი, რომ ელექტრონებისა და პროტონების ელექტრული მუხტები, როგორც ჩანს, ანადგურებენ ერთმანეთს უკიდურესი სიზუსტით, აუცილებელია მაკროსკოპული სამყაროსთვის, როგორც ჩვენ ვიცით, მაგრამ ელემენტარული ნაწილაკების ეს მნიშვნელოვანი თვისება არ არის ახსნილი ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტულ მოდელში. მიუხედავად იმისა, რომ სტანდარტულ მოდელში ძლიერი და სუსტი ურთიერთქმედების აღწერა ეფუძნება ლიანდაგის სიმეტრიებს, რომლებიც რეგულირდება მარტივი SU(3) და SU(2) სიმეტრიის ჯგუფებით, რომლებიც მხოლოდ დისკრეტულ მუხტებს იძლევიან, დარჩენილი კომპონენტი, სუსტი ჰიპერმუხტის ურთიერთქმედება, აღწერილია აბელიანი U(1), რაც პრინციპში იძლევა საშუალებასგადასახადების თვითნებური განაწილება.
დაკვირვებულმა მუხტის კვანტიზაციამ, კერძოდ იმ ფაქტმა, რომ ყველა ცნობილი ელემენტარული ნაწილაკი ატარებს ელექტრულ მუხტს, რომელიც, როგორც ჩანს, არის ელემენტარული მუხტის ⅓-ის ზუსტი ჯერადი, მიგვიყვანს იდეამდე, რომ ჰიპერმუხტის ურთიერთქმედება და შესაძლოა ძლიერი და სუსტი ურთიერთქმედებები შეიქმნას. ერთ დიდ ერთიან ურთიერთქმედებაში, რომელიც აღწერილია ერთი უფრო დიდი მარტივი სიმეტრიული ჯგუფის მიერ, რომელიც შეიცავს სტანდარტულ მოდელს. ეს ავტომატურად იწინასწარმეტყველებს ელემენტარული ნაწილაკების ყველა მუხტის კვანტიზებულ ბუნებას და მნიშვნელობას. იმის გამო, რომ მას ასევე მივყავართ იმ ძირითადი ურთიერთქმედებების შედარებით სიძლიერის წინასწარმეტყველებამდე, რომლებსაც ჩვენ ვაკვირდებით, კერძოდ, სუსტი შერევის კუთხით, Grand Unification იდეალურად ამცირებს დამოუკიდებელი შეყვანების რაოდენობას, მაგრამ ასევე შემოიფარგლება დაკვირვებებით. რაც არ უნდა უნივერსალური ჩანდეს გრანდიოზული ერთიანი თეორია, მასზე წიგნები არც თუ ისე პოპულარულია.
ჯორჯია-გლაზგოს თეორია (SU (5))
დიდი გაერთიანება მოგვაგონებს ელექტრული და მაგნიტური ძალების გაერთიანებას მე-19 საუკუნეში მაქსველის ელექტრომაგნიტიზმის თეორიაში, მაგრამ მისი ფიზიკური მნიშვნელობა და მათემატიკური სტრუქტურა თვისობრივად განსხვავებულია.
თუმცა, აშკარა არ არის, რომ გაფართოებული გრანდიოზული ერთიანი სიმეტრიის უმარტივესი არჩევანია ელემენტარული ნაწილაკების სწორი ნაკრების შექმნა. ის ფაქტი, რომ მატერიის ყველა ამჟამად ცნობილი ნაწილაკი კარგად ჯდება სამი ყველაზე პატარა SU(5) ჯგუფის წარმოდგენის თეორიაში და დაუყოვნებლივ ატარებს სწორ დაკვირვებად მუხტებს, არის ერთ-ერთი პირველი დაყველაზე მნიშვნელოვანი მიზეზები, რის გამოც ადამიანებს სჯერათ, რომ დიდი ერთიანი თეორია შეიძლება რეალურად განხორციელდეს ბუნებაში.
SU(5)-ის ორი უმცირესი შეუქცევადი წარმოდგენა არის 5 და 10. სტანდარტული აღნიშვნით, 5 შეიცავს მარჯვენა ქვედა ტიპის ფერის ტრიპლეტის და მარცხნივ იზოსპინის დულეტის მუხტის კონიუგატებს, ხოლო 10. შეიცავს ზედა ტიპის კვარკის ექვს კომპონენტს, აფერადებს მარცხენა ქვედა ტიპის კვარკის სამეულს და მარჯვენა ელექტრონის. ეს სქემა უნდა განმეორდეს მატერიის სამი ცნობილი თაობიდან თითოეულისთვის. აღსანიშნავია, რომ თეორია არ შეიცავს ამ შინაარსის ანომალიებს.
ჰიპოთეტური მარჯვენა ნეიტრინოები არის SU(5) ერთეული, რაც ნიშნავს, რომ მისი მასა არ არის აკრძალული რაიმე სიმეტრიით; მას არ სჭირდება სიმეტრიის სპონტანური დარღვევა, რაც განმარტავს, თუ რატომ იქნება მისი მასა დიდი.
აქ მატერიის გაერთიანება კიდევ უფრო სრულყოფილია, რადგან შეუქცევადი სპინორის წარმოდგენა 16 შეიცავს SU(5)-ის 5-ს და 10-ს და მარჯვენა ხელის ნეიტრინოებს და, შესაბამისად, ერთი თაობის ნაწილაკების მთლიან შემცველობას. გაფართოებული სტანდარტული მოდელი ნეიტრინოს მასებით. ეს უკვე ყველაზე დიდი მარტივი ჯგუფია, რომელიც აღწევს მატერიის გაერთიანებას სქემაში, რომელიც მოიცავს მხოლოდ უკვე ცნობილ მატერიის ნაწილაკებს (გარდა ჰიგსის სექტორისა).
რადგან სხვადასხვა სტანდარტული მოდელის ფერმიონები დაჯგუფებულია უფრო დიდ გამოსახულებებად, GUT-ები კონკრეტულად პროგნოზირებენ ურთიერთობას ფერმიონის მასებს შორის, როგორიცაა ელექტრონს დაქვემოთ კვარკი, მიონი და უცნაური კვარკი და ტაუ ლეპტონი და ქვემოთ კვარკი SU(5-ისთვის). ზოგიერთი მასის თანაფარდობა მიახლოებითია, მაგრამ უმეტესობა არა.
SO(10) თეორია
ბოზონური მატრიცა SO(10)-ისთვის ნაპოვნია SU(5)-ის 10+5 წარმოდგენის 15×15 მატრიცის აღებით და მარჯვენა ნეიტრინოსთვის დამატებითი მწკრივისა და სვეტის დამატებით. ბოზონების პოვნა შესაძლებელია 20 დამუხტული ბოზონიდან (2 მარჯვენა W ბოზონი, 6 მასიური დამუხტული გლუონი და 12 X/Y ტიპის ბოზონი) პარტნიორის დამატებით და დამატებით მძიმე ნეიტრალური Z ბოზონის დამატებით 5 ნეიტრალური ბოზონის შესაქმნელად. ბოზონურ მატრიცას ექნება ბოზონი ან მისი ახალი პარტნიორი თითოეულ რიგში და სვეტში. ეს წყვილები გაერთიანდება და ქმნის ნაცნობ 16D დირაკის სპინ მატრიცებს SO(10).
სტანდარტული მოდელი
სტანდარტული მოდელის არაქირალური გაფართოებები გაყოფილი მრავალჯერადი ნაწილაკების ვექტორული სპექტრებით, რომლებიც ბუნებრივად ჩნდებიან უფრო მაღალ SU(N) GUT-ებში, მნიშვნელოვნად ცვლის უდაბნოს ფიზიკას და იწვევს რეალისტურ (მწკრივის მასშტაბის) დიდ გაერთიანებას ჩვეულებრივი სამი კვარკ-ლეპტონისთვის. ოჯახები სუპერსიმეტრიის გამოყენების გარეშეც (იხ. ქვემოთ). მეორე მხრივ, ახალი დაკარგული VEV მექანიზმის გაჩენის გამო, რომელიც წარმოიქმნება სუპერსიმეტრიულ SU(8) GUT-ში, შეიძლება მოიძებნოს ლიანდაგის იერარქიის პრობლემის ერთდროული გადაწყვეტა (ორმაგი-სამმაგი გაყოფა) და არომატის გაერთიანების პრობლემა.
სხვა თეორიები და ელემენტარული ნაწილაკები
GUT ოთხი ოჯახით/თაობით, SU(8): თუ ვივარაუდებთ, რომ ფერმიონების 4 თაობა 3-ის ნაცვლად წარმოქმნის ნაწილაკების 64 ტიპს. ისინი შეიძლება განთავსდეს 64=8 + 56 SU(8) წარმოდგენაში. ეს შეიძლება დაიყოს SU(5) × SU(3) F × U(1), რომელიც არის SU(5) თეორია, რამდენიმე მძიმე ბოზონთან ერთად, რომლებიც გავლენას ახდენენ თაობის რიცხვზე.
GUT ოთხი ოჯახით/თაობით, O(16): ისევ, თუ ვივარაუდებთ, რომ ფერმიონების 4 თაობა, 128 ნაწილაკი და ანტინაწილაკი შეიძლება მოერგოს ერთ O(16) სპინორულ წარმოდგენას. ეს ყველაფერი აღმოაჩინეს დიდი ერთიანი თეორიისკენ მიმავალ გზაზე.
