22-12-2018 19:27

Теории великого объединения: история возникновения, основные положения

Теории великого объединения (GUT, ГУТ или ТВО - все три аббревиатуры будут использоваться в статье) - это модель в физике элементарных частиц, в которой при высокой энергии три калибровочных взаимодействия стандартной модели, которые определяют электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия или силы, объединяются в одну единую силу. Это объединенное взаимодействие характеризуется одной симметрией большей калибровки и, следовательно, несколькими несущими силами, но одной постоянной связью. Если великое объединение реализуется в природе, существует вероятность эпохи великого объединения в ранней Вселенной, в которой фундаментальные силы еще не различны.

Изучение школьного русского языка. Разделы русского языкаВам будет интересно:Изучение школьного русского языка. Разделы русского языка

Сверхсложные взаимодействия.

Теория великого объединения: кратко

Модели, которые не объединяют все взаимодействия, используя одну простую группу в качестве калибровочной симметрии, делают это с использованием полупростых групп, могут демонстрировать аналогичные свойства и иногда также называются великими теориями объединения.

Объединение гравитации с тремя другими взаимодействиями обеспечило бы теорию всего (ОО), а не ГУТ. Тем не менее GUT часто рассматриваются как промежуточный шаг к ОО. Все это характерные идеи для великих теорий объединения и суперобъединения.

Правило рычага. Формулировка и формулаВам будет интересно:Правило рычага. Формулировка и формула

Ожидается, что новые частицы, предсказанные моделями GUT, будут иметь массы вокруг шкалы GUT - всего на несколько порядков ниже шкалы Планка - и поэтому будут недоступны для любых предполагаемых экспериментов на коллайдере частиц. Следовательно, частицы, предсказанные с помощью моделей GUT, не смогут наблюдаться напрямую, и вместо этого эффекты великого объединения могут быть обнаружены с помощью косвенных наблюдений, таких как распад протона, электрические дипольные моменты элементарных частиц или свойства нейтрино. Некоторые GUT, такие как модель Пати-Салама, предсказывают существование магнитных монополей.

Характеристика моделей

Модели GUT, которые стремятся быть полностью реалистичными, довольно сложны, даже по сравнению со стандартной моделью, потому что они должны вводить дополнительные поля и взаимодействия, или даже дополнительные измерения пространства. Основная причина этой сложности заключается в трудности воспроизведения наблюдаемых масс фермионов и углов смешения, что может быть связано с существованием некоторых дополнительных симметрий семейства за пределами традиционных моделей GUT. Из-за этой трудности и отсутствия какого-либо наблюдаемого эффекта великого объединения до сих пор не существует общепринятой модели GUT.

Военная немецкая техника Второй мировой войныВам будет интересно:Военная немецкая техника Второй мировой войны

Тесла и ТВО.

Исторически первый настоящий GUT, основанный на простой группе Ли SU, был предложен Говардом Георгием и Шелдоном Глэшоу в 1974 году. Модели Георги-Глэшоу предшествовала полупростая алгебра Ли модель Пати-Салама, предложенная Абдусом Саламом и Джогешем Пати, которые впервые предложили объединить калибровочные взаимодействия.

История названия

Аббревиатура GUT (ТВО) впервые была придумана в 1978 году исследователями ЦЕРН Джоном Эллисом, Анджей Бурасом, Мэри К. Гайард и Дмитрием Нанопулосом, однако в окончательной версии своей статьи они выбрали GUM (масса великого объединения). Nanopoulos позже в том же году был первым, кто использовал аббревиатуру в статье. Говоря кратко, на пути к теории великого объединения была проделана масса работы.

Галактика в рамках ТВО.

Общность концепций

Сокращение SU используется для обозначения теорий великого объединения, что часто будет упоминаться в этой статье. Тот факт, что электрические заряды электронов и протонов, по-видимому, взаимно компенсируют друг друга с предельной точностью, является существенным для макроскопического мира, каким мы его знаем, но это важное свойство элементарных частиц не объясняется в стандартной модели физики элементарных частиц. В то время как описание сильных и слабых взаимодействий в стандартной модели основано на калибровочных симметриях, управляемых простыми группами симметрий SU (3) и SU (2), которые допускают только дискретные заряды, оставшаяся компонента, взаимодействие слабого гиперзаряда, описывается абелевой симметрией U (1), которая в принципе допускает произвольное распределение зарядов.

Сверхновая звезда.

Наблюдаемое квантование заряда, а именно тот факт, что все известные элементарные частицы несут электрические заряды, которые представляются точными кратными ⅓ элементарного заряда, привело к идее, что гиперзарядные взаимодействия и, возможно, сильные и слабые взаимодействия могут быть встроены в одно великое объединенное взаимодействие, описываемое одной большей простой группой симметрии, содержащей стандартную модель. Это автоматически предскажет квантованную природу и значения всех зарядов элементарных частиц. Поскольку это также приводит к предсказанию относительных сил основных взаимодействий, которые мы наблюдаем, в частности, к слабому углу смешивания, Grand Unification в идеале уменьшает количество независимых входных параметров, но также ограничивается наблюдениями. Какой бы универсальной не казалась теория великого объединения, книги по ней не слишком популярны.

Теория Джорджи-Глазгоу (SU (5))

Великое объединение напоминает объединение электрических и магнитных сил по теории электромагнетизма Максвелла в XIX веке, но его физическое значение и математическая структура качественно отличаются.

Однако не очевидно, что простейший возможный выбор для расширенной великой объединенной симметрии должен дать правильный набор элементарных частиц. Тот факт, что все известные в настоящее время частицы материи хорошо вписываются в три наименьших теории групповых представлений SU (5) и сразу несут правильные наблюдаемые заряды, является одной из первых и наиболее важных причин, по которым люди полагают, что великая теория объединения может на самом деле быть реализованной в природе.

Большой взрыв.

Двумя наименьшими неприводимыми представлениями SU (5) являются 5 и 10. В стандартном назначении 5 содержит зарядовые конъюгаты цветового триплета правостороннего кварка нисходящего типа и изоспинового дублета левонного левтона, в то время как 10 содержит шесть компонентов кварка восходящего типа, цветовой триплет левого кварка нисходящего типа и правосторонний электрон. Эта схема должна быть воспроизведена для каждого из трех известных поколений материи. Примечательно, что теория не содержит аномалий с этим содержанием.

Гипотетические правосторонние нейтрино являются синглетом SU (5), что означает, что его масса не запрещена какой-либо симметрией; он не нуждается в самопроизвольном нарушении симметрии, что объясняет, почему его масса будет большой.

Здесь объединение материи является еще более полным, поскольку неприводимое спинорное представление 16 содержит как 5 и 10 из SU (5), так и правостороннее нейтрино, и, таким образом, полное содержание частиц одного поколения расширенной стандартной модели с нейтринные массы. Это уже самая большая простая группа, которая достигает объединения материи в схеме, включающей только уже известные частицы материи (кроме сектора Хиггса).

Поскольку различные стандартные модельные фермионы сгруппированы в более крупные представления, GUT специально предсказывают отношения между массами фермионов, такими как между электроном и нижним кварком, мюоном и странным кварком, а также тау-лептоном и нижним кварком для SU (5). Некоторые из этих массовых соотношений выполняются приблизительно, но большинство этого не делают.

Мириады звезд.

Теория SO (10)

Бозонная матрица для SO (10) находится путем взятия матрицы 15 × 15 из 10 + 5 представления SU (5) и добавления дополнительной строки и столбца для правого нейтрино. Бозоны можно найти, добавив партнера к каждому из 20 заряженных бозонов (2 правых W-бозона, 6 массивных заряженных глюонов и 12 бозонов типа X/Y) и добавив дополнительный тяжелый нейтральный Z-бозон, чтобы сделать 5 нейтральных бозонов. Бозонная матрица будет иметь бозон или его нового партнера в каждой строке и столбце. Эти пары объединяются, чтобы создать знакомые 16D дираковские спинорные матрицы SO (10).

Стандартная модель

Нехиральные расширения стандартной модели с векторными спектрами расщепленных мультиплетных частиц, которые естественным образом появляются в высших SU (N) GUT, значительно изменяют физику пустыни и приводят к реалистическому (в масштабе строки) великому объединению для обычных трех кварк-лептонных семейств даже без использования суперсимметрии (см. ниже). С другой стороны, благодаря появлению нового недостающего механизма VEV, возникающего в суперсимметричной SU (8) GUT, может быть найдено одновременное решение проблемы калибровочной иерархии (дублет-триплетное расщепление) и проблемы объединения аромата.

Теория струн.

Другие теории и элементарные частицы

GUT с четырьмя семействами/поколениями, SU (8): предполагая, что 4 поколения фермионов вместо 3 образуют в общей сложности 64 типа частиц. Их можно поместить в 64 = 8 + 56 представлений SU (8). Это можно разделить на SU (5) × SU (3) F × U (1), которая является теорией SU (5), вместе с некоторыми тяжелыми бозонами, которые влияют на число генерации.

GUT с четырьмя семействами/поколениями, O (16): опять же, предполагая 4 поколения фермионов, 128 частиц и античастиц можно поместить в одно спинорное представление O (16). Все эти вещи были открыты на пути к теории великого объединения.



Источник