Grand Unified Theory (GUT, GUT או GUT - כל שלושת הקיצורים ישמשו במאמר) הוא מודל בפיזיקה של חלקיקים שבו, באנרגיה גבוהה, שלושת האינטראקציות של המודל הסטנדרטי הקובעות את האלקטרומגנטיות, אינטראקציות או כוחות חלשים וחזקים משולבים לכוח אחד. אינטראקציה משולבת זו מאופיינת בסימטריה אחת של מידה גדולה יותר, ולכן מספר כוחות נושאים, אך קשר קבוע אחד. אם איחוד גדול מתרחש בטבע, ישנה אפשרות לעידן איחוד גדול ביקום המוקדם שבו כוחות היסוד עדיין אינם שונים.
Grand Unified Theory בקצרה
מודלים שאינם מאחדים את כל האינטראקציות באמצעות קבוצה פשוטה אחת כסימטריה של מד, עושים זאת באמצעות קבוצות פשוטות למחצה, יכולים להפגין מאפיינים דומים ולפעמים נקראים גם תיאוריות איחוד גדול.
שילוב של כוח המשיכה עם שלושת הכוחות האחרים יספק תיאוריה של הכל (OO) ולא של GUT. עם זאת, GUT נתפס לעתים קרובות כצעד ביניים לקראת OO. כל אלה הם רעיונות אופייניים לתיאוריות הגדולות של איחוד ואיחוד-על.
לחלקיקים החדשים שנחזו על ידי מודלים של GUT צפויות להיות מסות סביב סולם ה-GUT - רק כמה סדרי גודל מתחת לסולם פלאנק - ולכן מחוץ להישג ידם של כל ניסוי מוצע של מתנגש חלקיקים. לכן, חלקיקים שנחזו על ידי מודלים של GUT לא ניתנים לצפייה ישירה, ובמקום זאת, ניתן לזהות השפעות של איחוד גדול באמצעות תצפיות עקיפות כגון ריקבון פרוטונים, מומנטים של דיפול חשמלי של חלקיקים יסודיים או תכונות נייטרינו. כמה GUTs, כגון מודל פאטי סלאם, חוזים את קיומם של מונופולים מגנטיים.
מאפיינים של דגמים
מודלים של GUT, שמטרתם להיות מציאותיים לחלוטין, הם די מורכבים, אפילו בהשוואה למודל הסטנדרטי, מכיוון שהם חייבים להציג שדות ואינטראקציות נוספים, או אפילו ממדי שטח נוספים. הסיבה העיקרית למורכבות זו נעוצה בקושי לשחזר את מסות הפרמיון הנצפות וזוויות ערבוב, אשר עשויה לנבוע מקיומן של כמה סימטריות משפחתיות נוספות מחוץ למודלים המסורתיים של GUT. בגלל הקושי הזה והיעדר כל אפקט איחוד גדול שניתן להבחין בו, עדיין אין מודל GUT מקובל.
ראשונה היסטוריתGUT אמיתי המבוסס על קבוצת ה-SU הפשוטה של לי הוצע על ידי הווארד ג'ורג' ושלדון גלשואו ב-1974. למודל Georgi-Glashow קדם המודל הפשוט למחצה של Lie אלגברה פאטי-סלאם שהוצע על ידי עבדוס סלאם וג'וגש פאטי, שהציעו לראשונה אינטראקציות מדדים מאחדות.
היסטוריית שמות
הקיצור GUT (GUT) נטבע לראשונה ב-1978 על ידי חוקרי CERN ג'ון אליס, אנדז'יי בוראס, מרי סי גייארד ודמיטרי ננופולוס, אך בגרסה הסופית של המאמר שלהם הם בחרו ב-GUM (מסת איחוד גדולה). ננופולוס מאוחר יותר באותה שנה היה הראשון להשתמש בראשי התיבות במאמר. בקיצור, נעשתה עבודה רבה בדרך לתיאוריה המאוחדת הגדולה.
משותף של מושגים
הקיצור SU משמש להתייחסות לתיאוריות האיחוד הגדול, אשר יינתנו לעתים קרובות לאורך מאמר זה. העובדה שנראה שהמטענים החשמליים של אלקטרונים ופרוטונים מבטלים זה את זה בדיוק רב חיונית לעולם המאקרוסקופי כפי שאנו מכירים אותו, אך תכונה חשובה זו של חלקיקים אלמנטריים אינה מוסברת במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. בעוד התיאור של האינטראקציות החזקות והחלשות במודל הסטנדרטי מבוסס על סימטריות מד הנשלטות על ידי קבוצות סימטריה פשוטות של SU(3) ו-SU(2) המאפשרות רק מטענים נפרדים, המרכיב הנותר, אינטראקציית ההיפר-טעינה החלשה, מתואר על ידי ה-Abelian U(1), שבאופן עקרוני מאפשרחלוקה שרירותית של חיובים.
כימת המטען שנצפה, כלומר העובדה שכל חלקיקי היסוד הידועים נושאים מטענים חשמליים שנראים ככפולות מדויקות של ⅓ מהמטען היסודי, הובילה לרעיון שניתן לבנות אינטראקציות מטען יתר ואולי אינטראקציות חזקות וחלשות לאינטראקציה מאוחדת גדולה אחת המתוארת על ידי קבוצת סימטריה פשוטה אחת גדולה יותר המכילה את המודל הסטנדרטי. זה ינבא אוטומטית את האופי והערכים הכומתיים של כל המטענים של חלקיקים יסודיים. מכיוון שהוא מוביל גם לניבוי של החוזקות היחסיות של האינטראקציות הבסיסיות שאנו צופים בהן, במיוחד זווית הערבוב החלשה, Grand Unification מפחית באופן אידיאלי את מספר התשומות הבלתי תלויות, אך גם מוגבל לתצפיות. ככל שהתיאוריה המאוחדת הגדולה עשויה להיראות אוניברסלית, ספרים עליה אינם פופולריים במיוחד.
תורת ג'ורג'י-גלסגו (SU (5))
האיחוד הגדול מזכיר את האיחוד של כוחות חשמליים ומגנטיים בתורת האלקטרומגנטיות של מקסוול במאה ה-19, אבל המשמעות הפיזיקלית והמבנה המתמטי שלו שונים באופן איכותי.
עם זאת, לא מובן מאליו שהבחירה הפשוטה ביותר לסימטריה המאוחדת הגדולה המורחבת היא לייצר את הסט הנכון של חלקיקים יסודיים. העובדה שכל חלקיקי החומר הידועים כיום מתאימים היטב לשלוש תיאוריות הייצוג הקטנות ביותר של קבוצת SU(5) ונושאים מיד את המטענים הנכונים הניתנים לצפייה היא אחת מהראשונות והן.הסיבות החשובות ביותר לכך שאנשים מאמינים שהתיאוריה המאוחדת הגדולה יכולה להתממש בטבע.
שני הייצוגים הקטנים הבלתי ניתנים לצמצום של SU(5) הם 5 ו-10. בסימון הסטנדרטי, 5 מכיל את צימודי המטען של שלישיית צבע ימנית מטה וכפולת איזוספין שמאלית, בעוד ש-10 מכיל שישה מרכיבים של קווארק מסוג up, צבע שלישייה של קווארק יד שמאל למטה ואלקטרון ימני. יש לשחזר סכמה זו עבור כל אחד משלושת הדורות הידועים של החומר. ראוי לציין שהתיאוריה אינה מכילה חריגות בתוכן זה.
ניטרינו הימניים היפותטיים הם סינגל SU(5), כלומר המסה שלו אינה אסורה בשום סימטריה; הוא לא צריך לשבור סימטריה ספונטנית, מה שמסביר מדוע המסה שלו תהיה גדולה.
כאן, האיחוד של החומר שלם אפילו יותר, שכן ייצוג הספינור הבלתי ניתן לצמצום 16 מכיל גם 5 וגם 10 של SU(5) ושל ניטרינו ימניים, ולפיכך התוכן הכולל של חלקיקים של דור אחד של דגם סטנדרטי מורחב עם מסות נייטרינו. זו כבר הקבוצה הפשוטה הגדולה ביותר שמשיגה את איחוד החומר בתכנית הכוללת רק חלקיקי חומר ידועים כבר (למעט מגזר היגס).
מכיוון שהפרמיונים השונים במודל הסטנדרטי מקובצים לייצוגים גדולים יותר, GUTs חוזים באופן ספציפי יחסים בין מסות פרמיונים, כגון בין אלקטרון לביןדאון קווארק, מיאון וקווארק מוזר; והטאו לפטון וקווארק דאון עבור SU(5). חלק מיחסי המסה האלה משוערים, אבל רובם לא.
SO(10) theory
המטריצה הבוסונית עבור SO(10) נמצאת על ידי נטילת מטריצה 15×15 של ייצוג 10 + 5 של SU(5) והוספת שורה ועמודה נוספת עבור הנייטרינו הימני. ניתן למצוא את הבוזונים על ידי הוספת שותף לכל אחד מ-20 הבוזונים הטעונים (2 בוזונים W ימניים, 6 גלואונים טעונים מאסיביים ו-12 בוזונים מסוג X/Y) והוספת בוזון Z ניטרלי כבד במיוחד כדי ליצור 5 בוזונים ניטרליים. למטריצה הבוסונית יהיה בוזון או בן זוגה חדש בכל שורה ועמודה. זוגות אלה משתלבים ויוצרים את מטריצות הספין 16D Dirac המוכרות SO(10).
מודל סטנדרטי
הרחבות לא-כיראליות של המודל הסטנדרטי עם ספקטרום וקטור של חלקיקים מרובים מפוצלים המופיעים באופן טבעי ב-SU(N) GUTs גבוהים יותר משנים באופן משמעותי את הפיזיקה המדברית ומובילים לאיחוד גדול מציאותי (בקנה מידה שורה) עבור שלושת הקווארק-לפטונים הרגילים משפחות גם ללא שימוש בסופרסימטריה (ראה להלן). מצד שני, עקב הופעתו של מנגנון VEV חסר חדש המתהווה ב-SU(8) GUT הסופר-סימטרי, ניתן למצוא פתרון בו-זמני לבעיית היררכיית המדיד (פיצול כפולה-טריפלט) ולבעיית איחוד הטעמים.
תאוריות אחרות וחלקיקים יסודיים
GUT עם ארבע משפחות/דורות, SU(8): בהנחה ש-4 דורות של פרמיונים במקום 3 יוצרים בסך הכל 64 סוגי חלקיקים. ניתן למקם אותם ב-64=8 + 56 ייצוגים של SU(8). ניתן לחלק את זה ל-SU(5) × SU(3) F × U(1), שהיא תיאוריית SU(5), יחד עם כמה בוזונים כבדים שמשפיעים על מספר הדור.
GUT עם ארבע משפחות/דורות, O(16): שוב, בהנחה ש-4 דורות של פרמיונים, 128 חלקיקים ואנטי-חלקיקים יכולים להתאים לייצוג ספינור בודד של O(16). כל הדברים הללו התגלו בדרך לתיאוריה המאוחדת הגדולה.
