Grand Unified Theory (GUT, GUT oder GUT - alle drei Abkürzungen werden im Artikel verwendet) ist ein Modell der Teilchenphysik, bei dem bei hoher Energie die drei Eichwechselwirkungen des Standardmodells die Elektromagnetik bestimmen werden schwache und starke Wechselwirkungen oder Kräfte zu einer einzigen Kraft kombiniert. Diese kombinierte Wechselwirkung ist gekennzeichnet durch eine Symmetrie größerer Stärke und daher mehrere Trägerkräfte, aber eine dauerhafte Bindung. Wenn es in der Natur zu einer großen Vereinigung kommt, besteht die Möglichkeit einer Ära der großen Vereinigung im frühen Universum, in der die fundamentalen Kräfte noch nicht verschieden sind.
Grand Unified Theory in Kürze
Modelle, die nicht alle Wechselwirkungen mit einer einfachen Gruppe als Eichsymmetrie vereinheitlichen, tun dies mit halbeinfachen Gruppen, können ähnliche Eigenschaften aufweisen und werden manchmal auch als große Vereinigungstheorien bezeichnet.
Die Kombination der Schwerkraft mit den anderen drei Kräften würde eher eine Theorie von allem (OO) als einen GUT liefern. GUT wird jedoch oft als Zwischenschritt in Richtung OO angesehen. Das alles sind charakteristische Ideen für die großen Theorien der Vereinigung und Supervereinigung.
Die von den GUT-Modellen vorhergesagten neuen Teilchen werden voraussichtlich Massen um die GUT-Skala haben – nur wenige Größenordnungen unter der Planck-Skala – und daher für alle vorgeschlagenen Teilchenbeschleuniger-Experimente unerreichbar sein. Daher können von GUT-Modellen vorhergesagte Teilchen nicht direkt beobachtet werden, und stattdessen können große Vereinigungseffekte durch indirekte Beobachtungen wie Protonenzerfall, elektrische Dipolmomente von Elementarteilchen oder Neutrinoeigenschaften nachgewiesen werden. Einige GUTs, wie das Pati-Salam-Modell, sagen die Existenz magnetischer Monopole voraus.
Eigenschaften der Modelle
GUT-Modelle, die darauf abzielen, vollständig realistisch zu sein, sind selbst im Vergleich zum Standardmodell ziemlich komplex, da sie zusätzliche Felder und Wechselwirkungen oder sogar zusätzliche Raumdimensionen einführen müssen. Der Hauptgrund für diese Komplexität liegt in der Schwierigkeit, die beobachteten Fermionmassen und Mischungswinkel zu reproduzieren, was auf die Existenz einiger zusätzlicher Familiensymmetrien außerhalb der traditionellen GUT-Modelle zurückzuführen sein könnte. Aufgrund dieser Schwierigkeit und des Fehlens eines beobachtbaren großen Vereinigungseffekts gibt es immer noch kein allgemein anerkanntes GUT-Modell.
Historisch zuerstEine echte GUT, die auf Lees einfacher SU-Gruppe basiert, wurde 1974 von Howard George und Sheldon Glashow vorgeschlagen. Dem Georgi-Glashow-Modell ging das halbeinfache Lie-Algebra-Pati-Salam-Modell voraus, das von Abdus Salam und Jogesh Pati vorgeschlagen wurde, die als erste vereinheitlichende Eichwechselwirkungen vorschlugen.
Namensgeschichte
Die Abkürzung GUT (GUT) wurde erstmals 1978 von den CERN-Forschern John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard und Dmitry Nanopoulos geprägt, aber in der endgültigen Version ihres Artikels wählten sie GUM (große Vereinigungsmasse). Nanopoulos war später in diesem Jahr der erste, der das Akronym in einem Artikel verwendete. Kurzum, auf dem Weg zur Grand Unified Theory wurde viel Arbeit geleistet.
Gemeinsamkeit von Konzepten
Die Abkürzung SU wird verwendet, um sich auf große Vereinigungstheorien zu beziehen, auf die in diesem Artikel häufig Bezug genommen wird. Die Tatsache, dass sich die elektrischen Ladungen von Elektronen und Protonen mit äußerster Präzision aufzuheben scheinen, ist für die makroskopische Welt, wie wir sie kennen, wesentlich, aber diese wichtige Eigenschaft von Elementarteilchen wird im Standardmodell der Teilchenphysik nicht erklärt. Während die Beschreibung der starken und schwachen Wechselwirkungen im Standardmodell auf Eichsymmetrien basiert, die durch einfache SU(3)- und SU(2)-Symmetriegruppen bestimmt werden, die nur diskrete Ladungen zulassen, wird die verbleibende Komponente, die schwache Hyperladungswechselwirkung, durch beschrieben das Abelsche U(1), was im Prinzip erlaubtwillkürliche Gebührenverteilung.
Die beobachtete Ladungsquantisierung, nämlich die Tatsache, dass alle bekannten Elementarteilchen elektrische Ladungen tragen, die exakte Vielfache von ⅓ der Elementarladung zu sein scheinen, führte zu der Idee, dass Hyperladungswechselwirkungen und möglicherweise starke und schwache Wechselwirkungen aufgebaut werden könnten in eine große einheitliche Interaktion, die durch eine größere einfache Symmetriegruppe beschrieben wird, die das Standardmodell enthält. Dadurch werden automatisch die quantisierte Natur und die Werte aller Ladungen von Elementarteilchen vorhergesagt. Da es auch zu einer Vorhersage der relativen Stärke der beobachteten zugrunde liegenden Wechselwirkungen führt, insbesondere des schwachen Mischungswinkels, reduziert Grand Unification idealerweise die Anzahl unabhängiger Eingaben, ist aber auch auf Beobachtungen beschränkt. So universell die große vereinheitlichte Theorie erscheinen mag, Bücher darüber sind nicht sehr beliebt.
Georgie-Glasgow-Theorie (SU (5))
Die große Vereinigung erinnert an die Vereinigung elektrischer und magnetischer Kräfte in Maxwells Theorie des Elektromagnetismus im 19. Jahrhundert, aber ihre physikalische Bedeutung und mathematische Struktur sind qualitativ anders.
Es ist jedoch nicht offensichtlich, dass die einfachste mögliche Wahl für die erweiterte große vereinheitlichte Symmetrie darin besteht, den richtigen Satz von Elementarteilchen zu erzeugen. Die Tatsache, dass alle derzeit bekannten Materieteilchen gut in die drei kleinsten SU(5)-Gruppendarstellungstheorien passen und sofort die korrekten beobachtbaren Ladungen tragen, ist eine der ersten unddie wichtigsten Gründe, warum Menschen glauben, dass die große vereinheitlichte Theorie tatsächlich in der Natur verwirklicht werden kann.
Die beiden kleinsten irreduziblen Darstellungen von SU(5) sind 5 und 10. In der Standardnotation enthält 5 die Ladungskonjugate eines rechtshändigen Down-Typ-Farbtripletts und eines links-links-Isospin-Dubletts, während 10 enthält sechs Komponenten eines Up-Typ-Quarks, Farbe ein Triplett eines linkshändigen Down-Typ-Quarks und eines rechtshändigen Elektrons. Dieses Schema muss für jede der drei bekannten Materiegenerationen reproduziert werden. Bemerkenswert ist, dass die Theorie keine Anomalien mit diesem Inh alt enthält.
Hypothetische rechtshändige Neutrinos sind ein SU(5) Singulett, was bedeutet, dass ihre Masse durch keine Symmetrie verboten ist; es muss nicht spontan die Symmetrie brechen, was erklärt, warum seine Masse groß sein wird.
Hier ist die Vereinheitlichung der Materie noch vollständiger, da die irreduzible Spinordarstellung 16 sowohl 5 als auch 10 von SU(5) und rechtshändigen Neutrinos enthält, und damit den Gesamtgeh alt an Teilchen einer Generation der Erweitertes Standardmodell mit Neutrinomassen. Dies ist bereits die größte einfache Gruppe, die die Vereinigung von Materie in einem Schema erreicht, das nur bereits bekannte Materieteilchen enthält (mit Ausnahme des Higgs-Sektors).
Da die verschiedenen Standardmodell-Fermionen in größeren Darstellungen gruppiert sind, sagen GUTs speziell Beziehungen zwischen Fermionenmassen voraus, wie z. B. zwischen einem Elektron undDown-Quark, Myon und Strange-Quark sowie Tau-Lepton und Down-Quark für SU(5). Einige dieser Massenverhältnisse sind ungefähr, die meisten jedoch nicht.
SO(10)-Theorie
Die bosonische Matrix für SO(10) wird gefunden, indem man eine 15×15-Matrix der 10 + 5-Darstellung von SU(5) nimmt und eine zusätzliche Zeile und Sp alte für das rechte Neutrino hinzufügt. Die Bosonen können gefunden werden, indem man zu jedem der 20 geladenen Bosonen (2 rechte W-Bosonen, 6 massive geladene Gluonen und 12 Bosonen vom Typ X/Y) einen Partner hinzufügt und ein extra schweres neutrales Z-Boson hinzufügt, um 5 neutrale Bosonen zu erh alten. Die bosonische Matrix wird in jeder Zeile und Sp alte ein Boson oder seinen neuen Partner haben. Diese Paare bilden zusammen die bekannten 16D-Dirac-Spinmatrizen SO(10).
Standardmodell
Nichtchirale Erweiterungen des Standardmodells mit Vektorspektren von gesp altenen Multiplett-Partikeln, die natürlicherweise in höheren SU(N)-GUTs auftreten, verändern die Wüstenphysik erheblich und führen zu einer realistischen (zeilenskalierten) großen Vereinigung für die üblichen drei Quark-Lepton Familien auch ohne Verwendung von Supersymmetrie (siehe unten). Andererseits kann aufgrund des Auftretens eines neuen fehlenden VEV-Mechanismus, der in der supersymmetrischen SU(8) GUT auftritt, eine gleichzeitige Lösung für das Eichhierarchieproblem (Dublett-Triplett-Aufsp altung) und das Flavor-Vereinigungsproblem gefunden werden.
Andere Theorien und Elementarteilchen
GUT mit vier Familien/Generationen, SU(8): Unter der Annahme, dass 4 Generationen von Fermionen statt 3 insgesamt 64 Teilchentypen erzeugen. Sie können in 64=8 + 56 SU(8)-Darstellungen platziert werden. Dies kann unterteilt werden in SU(5) × SU(3) F × U(1), was die SU(5)-Theorie ist, zusammen mit einigen schweren Bosonen, die die Generationszahl beeinflussen.
GUT mit vier Familien/Generationen, O(16): Unter der Annahme von 4 Generationen von Fermionen können 128 Teilchen und Antiteilchen in eine einzige O(16)-Spinordarstellung passen. All diese Dinge wurden auf dem Weg zur großen vereinheitlichten Theorie entdeckt.
