Үлкен Бірыңғай теория (GUT, GUT немесе GUT – мақалада барлық үш аббревиатура да пайдаланылады) – бөлшектер физикасындағы үлгі, онда жоғары энергияда стандартты модельдің үш өлшемді өзара әрекеттесуі электромагниттік, әлсіз және күшті өзара әрекеттесу немесе күштер бір күшке біріктіріледі. Бұл аралас әрекеттесу үлкен өлшемнің бір симметриясымен, демек, бірнеше тасымалдаушы күштермен, бірақ бір тұрақты байланыспен сипатталады. Табиғатта үлкен бірігу орын алса, алғашқы ғаламда негізгі күштер әлі ерекшеленбеген ұлы бірігу дәуірі болуы мүмкін.
Қысқаша Ұлы Біртұтас теория
Өлшем симметриясы ретінде бір қарапайым топты пайдаланып, барлық өзара әрекеттесулерді біріктірмейтін, жартылай қарапайым топтарды қолданатын модельдер ұқсас қасиеттерді көрсете алады және оларды кейде үлкен біріктіру теориялары деп те атайды.
Гравитацияны басқа үш күшпен біріктіру GUT емес, барлығының теориясын (ОО) береді. Дегенмен, GUT жиі OO-ға қарай аралық қадам ретінде қарастырылады. Бұлардың барлығы біріктірудің және супербірленудің ұлы теорияларына тән идеялар.
GUT үлгілері болжаған жаңа бөлшектердің GUT шкаласы айналасындағы массалары болады деп күтілуде - бұл Планк шкаласына бірнеше рет төмен - сондықтан бөлшектердің коллайдеріне ұсынылған кез келген эксперименттер үшін қолжетімсіз. Сондықтан GUT модельдері болжаған бөлшектерді тікелей байқау мүмкін емес, оның орнына протонның ыдырауы, элементар бөлшектердің электрлік диполь моменттері немесе нейтрино қасиеттері сияқты жанама бақылаулар арқылы үлкен біріктіру әсерлерін анықтауға болады. Пати Салам үлгісі сияқты кейбір GUT магниттік монополдардың бар екенін болжайды.
Модельдердің сипаттамалары
Толығымен шынайы болуға бағытталған GUT үлгілері тіпті стандартты үлгімен салыстырғанда өте күрделі, өйткені олар қосымша өрістер мен өзара әрекеттесулерді немесе тіпті кеңістіктің қосымша өлшемдерін енгізуі керек. Бұл күрделіліктің негізгі себебі байқалған фермиондық массаларды және араластыру бұрыштарын жаңғыртудың қиындығында жатыр, бұл дәстүрлі GUT үлгілерінен тыс кейбір қосымша отбасылық симметриялардың болуына байланысты болуы мүмкін. Осы қиындыққа және бақыланатын үлкен біріктіру әсерінің жоқтығына байланысты әлі жалпы қабылданған GUT үлгісі жоқ.
Тарихи түрде біріншіЛидің қарапайым SU тобына негізделген шынайы GUT 1974 жылы Ховард Джордж және Шелдон Глашоу ұсынған. Джорджи-Глашоу үлгісінің алдында Абдус Салам мен Джогеш Пати ұсынған жартылай қарапайым Ли алгебрасының Пати-Салам моделі болды, ол алғаш рет біріктіруші өлшем өзара әрекеттесулерін ұсынған.
Атау тарихы
GUT (GUT) аббревиатурасын алғаш рет 1978 жылы CERN зерттеушілері Джон Эллис, Анджей Бурас, Мэри К. Гайард және Дмитрий Нанопулос ойлап тапты, бірақ мақаласының соңғы нұсқасында олар GUM (үлкен біріктіру массасы) таңдады. Сол жылдың соңында Нанопулос мақалада аббревиатураны бірінші рет қолданды. Бір сөзбен айтқанда, Ұлы Біртұтас теорияға жету жолында көп жұмыс жасалды.
Ұғымдардың ортақтығы
SU аббревиатурасы осы мақалада жиі айтылатын біріктіру теорияларына сілтеме жасау үшін қолданылады. Электрондар мен протондардың электр зарядтарының бір-бірін өте дәлдікпен жойып жіберетіні біз білетін макроскопиялық әлем үшін өте маңызды, бірақ элементар бөлшектердің бұл маңызды қасиеті бөлшектер физикасының стандартты үлгісінде түсіндірілмеген. Стандартты модельдегі күшті және әлсіз өзара әрекеттесулердің сипаттамасы тек дискретті зарядтарға мүмкіндік беретін қарапайым SU(3) және SU(2) симметрия топтарымен басқарылатын калибрлі симметрияларға негізделгенімен, қалған құрамдас бөлік, әлсіз гиперзарядтық әрекеттесу келесідей сипатталады: абелиандық U(1), бұл негізінен мүмкіндік бередіалымдарды ерікті бөлу.
Байқалған зарядты кванттау, атап айтқанда, барлық белгілі элементар бөлшектердің элементар зарядтың ⅓ дәл еселенген еселері болып көрінетін электр зарядтарын тасымалдау фактісі, гиперзарядтық әрекеттесулерді және мүмкін күшті және әлсіз әрекеттесулерді құруға болады деген идеяны тудырды. стандартты үлгіні қамтитын бір үлкен қарапайым симметрия тобымен сипатталған бір үлкен біртұтас өзара әрекеттесу. Бұл элементар бөлшектердің барлық зарядтарының квантталған табиғаты мен мәндерін автоматты түрде болжайды. Ол сондай-ақ біз байқайтын негізгі өзара әрекеттесулердің салыстырмалы күшті жақтарын, атап айтқанда әлсіз араластыру бұрышын болжауға әкелетіндіктен, Grand Unification тәуелсіз кірістердің санын өте жақсы азайтады, бірақ сонымен бірге бақылаулармен шектеледі. Үлкен біртұтас теория әмбебап болып көрінгенімен, ол туралы кітаптар онша танымал емес.
Джорджи-Глазго теориясы (SU (5))
Үлкен біріктіру 19 ғасырдағы Максвеллдің электромагнетизм теориясындағы электрлік және магниттік күштердің бірігуін еске түсіреді, бірақ оның физикалық мағынасы мен математикалық құрылымы сапалық жағынан басқаша.
Алайда кеңейтілген үлкен біртұтас симметрия үшін ең қарапайым таңдау элементар бөлшектердің дұрыс жиынын шығару екені анық емес. Қазіргі уақытта белгілі заттың барлық бөлшектері үш ең кішкентай SU(5) топтық ұсыну теориясына жақсы сәйкес келетіндігі және бірден дұрыс бақыланатын зарядтарды алып жүретіндігі бірінші жәнеадамдардың ұлы біртұтас теорияны шын мәнінде табиғатта жүзеге асыруға болатынына сенуінің ең маңызды себептері.
SU(5)-тің екі ең кіші азайтылмайтын көрінісі 5 және 10. Стандартты белгілеуде 5 оң жақ төмен типті түсті үштік пен сол жақ изопин дублетінің заряд конъюгаттарын қамтиды, ал 10 жоғары типті кварктың алты құрамдас бөлігінен тұрады, сол жақ төмен типті кварктың триплеті мен оң қолды электронды бояйды. Бұл схема материяның белгілі үш буынының әрқайсысы үшін қайта шығарылуы керек. Назар аударарлық жайт, теорияда бұл мазмұндағы ауытқулар жоқ.
Жипотетикалық оң қолды нейтринолар SU(5) синглетті болып табылады, яғни оның массасына ешқандай симметрия тыйым салынбаған; симметрияны өздігінен бұзудың қажеті жоқ, бұл оның массасының неге үлкен болатынын түсіндіреді.
Мұнда материяның бірігуі одан да толық, өйткені 16 азайтылмайтын спинорлық бейнеде SU(5) және оң жақ нейтринолардың 5 және 10-ы, демек, бір буынның бөлшектерінің жалпы мазмұны бар. нейтрино массалары бар кеңейтілген стандартты модель. Бұл қазірдің өзінде материяның белгілі бөлшектерін (Хиггс секторын қоспағанда) қамтитын схемада материяны біріктіруге қол жеткізетін ең үлкен қарапайым топ.
Әртүрлі стандартты модель фермиондары үлкенірек көріністерге топтастырылғандықтан, GUTтер фермион массалары арасындағы, мысалы, электрон ментөмен кварк, мюон және оғаш кварк және SU(5) үшін тау лептон және даун кварк. Бұл массалық арақатынастардың кейбіреулері шамамен алынған, бірақ көпшілігі олай емес.
SO(10) теориясы
SO(10) үшін бозондық матрицаны SU(5)-тің 10+5 көрінісінен тұратын 15×15 матрицасын алып, оң жақ нейтрино үшін қосымша жол мен бағанды қосу арқылы табады. Бозондарды 20 зарядталған бозонның әрқайсысына серіктес қосу арқылы (2 оң В бозон, 6 массивті зарядталған глюон және 12 X/Y типті бозон) және 5 бейтарап бозон жасау үшін қосымша ауыр бейтарап Z бозонын қосу арқылы табуға болады. Бозондық матрицада бозон немесе оның әрбір жол мен бағандағы жаңа серіктесі болады. Бұл жұптар SO(10) таныс 16D Dirac айналдыру матрицаларын жасау үшін біріктіріледі.
Стандартты үлгі
Табиғи жоғары SU(N) GUT-де пайда болатын бөлінген мультиплеттік бөлшектердің векторлық спектрлері бар Стандартты үлгінің хиральды емес кеңейтімдері шөл физикасын айтарлықтай өзгертеді және кәдімгі үш кварк-лептон үшін шынайы (қатар масштабында) үлкен бірігуге әкеледі. суперсимметрияны қолданбай-ақ отбасылар (төменде қараңыз). Екінші жағынан, суперсимметриялық SU(8) GUT-те пайда болатын жаңа жетіспейтін VEV механизмінің пайда болуына байланысты габариттік иерархия мәселесіне (қос-үштік бөлу) және дәмді біріктіру мәселесіне бір мезгілде шешім табуға болады.
Басқа теориялар және элементар бөлшектер
Төрт отбасы/ұрпағы бар GUT, SU(8): 3-тің орнына 4 фермион ұрпағы жалпы 64 бөлшектер түрін жасайды деп есептесек. Оларды 64=8 + 56 SU(8) көріністерінде орналастыруға болады. Оны SU(5) × SU(3) F × U(1) деп бөлуге болады, бұл SU(5) теориясы және генерация санына әсер ететін кейбір ауыр бозондар.
Төрт отбасы/ұрпағы бар GUT, O(16): Тағы да фермиондардың 4 ұрпағын болжасақ, 128 бөлшектер мен антибөлшектер бір O(16) спинор көрінісіне сыйды. Мұның бәрі біртұтас үлкен теорияға жету жолында ашылды.
