Lý thuyết thống nhất lớn (GUT, GUT hoặc GUT - cả ba chữ viết tắt sẽ được sử dụng trong bài viết) là một mô hình trong vật lý hạt, trong đó, ở năng lượng cao, ba tương tác đo của mô hình chuẩn xác định điện từ., các lực hoặc lực tương tác mạnh và yếu được kết hợp thành một lực duy nhất. Tương tác kết hợp này được đặc trưng bởi một đối xứng có giá trị lớn hơn, và do đó có một số lực mang, nhưng một liên kết vĩnh viễn. Nếu một sự thống nhất lớn xảy ra trong tự nhiên, có khả năng xảy ra một kỷ nguyên đại thống nhất trong vũ trụ sơ khai, trong đó các lực lượng cơ bản vẫn chưa khác nhau.
Lý thuyết Đại thống nhất trong ngắn hạn
Các mô hình không thống nhất tất cả các tương tác bằng cách sử dụng một nhóm đơn giản làm đối xứng chuẩn, làm như vậy bằng cách sử dụng các nhóm bán đơn giản, có thể thể hiện các tính chất tương tự và đôi khi còn được gọi là lý thuyết hợp nhất lớn.
Kết hợp trọng lực với ba lực còn lại sẽ cung cấp một lý thuyết về mọi thứ (OO) chứ không phải là một GUT. Tuy nhiên, GUT thường được coi là một bước trung gian đối với OO. Đây đều là những ý tưởng đặc trưng cho các lý thuyết vĩ đại về thống nhất và siêu thống nhất.
Các hạt mới được dự đoán bởi các mô hình GUT dự kiến sẽ có khối lượng xung quanh thang GUT - chỉ bằng vài bậc độ lớn dưới thang Planck - và do đó nằm ngoài khả năng của bất kỳ thí nghiệm máy va chạm hạt được đề xuất nào. Do đó, các hạt được dự đoán bởi mô hình GUT không thể được quan sát trực tiếp, và thay vào đó, các hiệu ứng tổng hợp nhất có thể được phát hiện thông qua các quan sát gián tiếp như phân rã proton, mômen lưỡng cực điện của hạt cơ bản hoặc đặc tính của neutrino. Một số GUT, chẳng hạn như mô hình Pati Salam, dự đoán sự tồn tại của các đơn cực từ tính.
Đặc điểm của các mẫu
Các mô hìnhGUT, nhằm mục đích hoàn toàn thực tế, khá phức tạp, ngay cả khi so với mô hình tiêu chuẩn, vì chúng phải giới thiệu các trường và tương tác bổ sung, hoặc thậm chí các kích thước bổ sung của không gian. Lý do chính cho sự phức tạp này nằm ở chỗ khó tái tạo khối lượng fermion quan sát được và các góc trộn, có thể là do sự tồn tại của một số đối xứng họ bổ sung bên ngoài các mô hình GUT truyền thống. Do khó khăn này và không có bất kỳ hiệu ứng thống nhất lớn nào có thể quan sát được, nên vẫn chưa có mô hình GUT được chấp nhận chung.
Đầu tiên trong lịch sửmột GUT thực sự dựa trên nhóm SU đơn giản của Lee được Howard George và Sheldon Glashow đề xuất vào năm 1974. Mô hình Georgi-Glashow có trước bởi mô hình đại số Lie bán nguyệt Pati-Salam do Abdus Salam và Jogesh Pati đề xuất, những người đầu tiên đề xuất các tương tác đo thống nhất.
Lịch sử đặt tên
Chữ viết tắt GUT (GUT) lần đầu tiên được đặt ra vào năm 1978 bởi các nhà nghiên cứu CERN John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard và Dmitry Nanopoulos, nhưng trong phiên bản cuối cùng của bài báo, họ đã chọn GUM (khối thống nhất lớn). Nanopoulos vào cuối năm đó là người đầu tiên sử dụng từ viết tắt này trong một bài báo. Nói tóm lại, rất nhiều việc đã được thực hiện trên con đường đi đến Lý thuyết Đại thống nhất.
Tính phổ biến của các khái niệm
Chữ viết tắt SU được sử dụng để chỉ các lý thuyết thống nhất lớn, sẽ được đề cập thường xuyên trong suốt bài viết này. Thực tế là các điện tích của electron và proton dường như triệt tiêu lẫn nhau với độ chính xác cực cao là điều cần thiết đối với thế giới vĩ mô như chúng ta đã biết, nhưng tính chất quan trọng này của các hạt cơ bản không được giải thích trong mô hình chuẩn của vật lý hạt. Trong khi việc mô tả các tương tác mạnh và yếu trong Mô hình Chuẩn dựa trên các phép đối xứng đo được điều chỉnh bởi các nhóm đối xứng SU (3) và SU (2) đơn giản chỉ cho phép các điện tích rời rạc, thành phần còn lại, tương tác siêu phóng điện yếu, được mô tả bằng Abelian U (1), về nguyên tắc cho phépphân phối phí tùy ý.
Lượng tử hóa điện tích quan sát được, cụ thể là thực tế là tất cả các hạt cơ bản đã biết đều mang điện tích có vẻ là bội số chính xác của ⅓ điện tích cơ bản, dẫn đến ý tưởng rằng có thể xây dựng các tương tác siêu phóng điện và tương tác mạnh và yếu thành một tương tác thống nhất lớn được mô tả bởi một nhóm đối xứng đơn giản lớn hơn có chứa mô hình chuẩn. Điều này sẽ tự động dự đoán bản chất và giá trị lượng tử hóa của tất cả các điện tích của các hạt cơ bản. Bởi vì nó cũng dẫn đến dự đoán về độ mạnh tương đối của các tương tác cơ bản mà chúng ta quan sát, đặc biệt là góc trộn yếu, Grand Unification lý tưởng làm giảm số lượng đầu vào độc lập, nhưng cũng giới hạn ở các quan sát. Có vẻ phổ biến như lý thuyết thống nhất lớn, nhưng sách về nó không phổ biến lắm.
Thuyết Georgie-Glasgow (SU (5))
Sự thống nhất lớn gợi nhớ đến sự hợp nhất của lực điện và lực từ trong lý thuyết điện từ của Maxwell vào thế kỷ 19, nhưng ý nghĩa vật lý và cấu trúc toán học của nó khác nhau về chất.
Tuy nhiên, không hẳn là sự lựa chọn đơn giản nhất có thể cho phép đối xứng hợp nhất mở rộng là tạo ra tập hợp các hạt cơ bản chính xác. Thực tế là tất cả các hạt vật chất được biết đến hiện nay đều phù hợp với ba lý thuyết biểu diễn nhóm SU (5) nhỏ nhất và ngay lập tức mang các điện tích quan sát được chính xác là một trong những lý thuyết đầu tiên vànhững lý do quan trọng nhất khiến mọi người tin rằng lý thuyết thống nhất lớn thực sự có thể được hiện thực hóa trong tự nhiên.
Hai đại diện bất khả quy nhỏ nhất của SU (5) là 5 và 10. Trong ký hiệu tiêu chuẩn, 5 chứa các liên hợp điện tích của bộ ba màu kiểu truyền xuống bên phải và bộ đôi isospin bên trái, trong khi 10 chứa sáu thành phần của một quark loại lên, tô màu một bộ ba của một quark loại thuận tay trái và một electron thuận tay phải. Sơ đồ này phải được tái tạo cho từng trong ba thế hệ vật chất đã biết. Đáng chú ý là lý thuyết không có bất thường với nội dung này.
Neutrino thuận tay phải theo giả thuyết là một hạt đơn SU (5), có nghĩa là khối lượng của nó không bị cấm bởi bất kỳ phép đối xứng nào; nó không cần phải phá vỡ đối xứng một cách tự nhiên, điều này giải thích tại sao khối lượng của nó sẽ lớn.
Ở đây, sự hợp nhất của vật chất thậm chí còn hoàn thiện hơn, vì biểu diễn spinor bất khả quy 16 chứa cả 5 và 10 của SU (5) và neutrino thuận tay phải, và do đó tổng hàm lượng của các hạt thuộc một thế hệ của mô hình chuẩn mở rộng với khối lượng neutrino. Đây đã là nhóm đơn giản lớn nhất đạt được sự hợp nhất của vật chất trong một sơ đồ chỉ bao gồm các hạt vật chất đã biết (ngoại trừ khu vực hạt Higgs).
Bởi vì các fermion mô hình tiêu chuẩn khác nhau được nhóm lại thành các biểu diễn lớn hơn, GUT dự đoán cụ thể các mối quan hệ giữa các khối lượng fermion, chẳng hạn như giữa một điện tử vàxuống quark, muon, và quark lạ; lepton tau và quark xuống cho SU (5). Một số tỷ lệ khối lượng này gần đúng, nhưng hầu hết thì không.
SO (10) lý thuyết
Ma trận bosonic cho SO (10) được tìm thấy bằng cách lấy ma trận 15 × 15 biểu diễn 10 + 5 của SU (5) và thêm một hàng và cột bổ sung cho neutrino bên phải. Các boson có thể được tìm thấy bằng cách thêm một đối tác của mỗi trong số 20 boson tích điện (2 boson W phải, 6 gluon tích điện lớn và 12 boson loại X / Y) và thêm một boson Z trung tính nặng để tạo thành 5 boson trung tính. Ma trận bosonic sẽ có một boson hoặc đối tác mới của nó trong mỗi hàng và cột. Các cặp này kết hợp với nhau để tạo ra ma trận quay 16D Dirac quen thuộc SO (10).
Mẫu chuẩn
Các phần mở rộng không phân chia của Mô hình Chuẩn với quang phổ vectơ của các hạt đa phân tách xuất hiện tự nhiên trong các SU (N) GUT cao hơn làm thay đổi đáng kể vật lý sa mạc và dẫn đến sự thống nhất thực tế (quy mô hàng) cho ba quark-lepton thông thường gia đình thậm chí không sử dụng siêu đối xứng (xem bên dưới). Mặt khác, do sự xuất hiện của một cơ chế VEV bị thiếu mới xuất hiện trong SU (8) GUT siêu đối xứng, một giải pháp đồng thời cho vấn đề phân cấp đồng hồ đo (tách đôi-ba) và vấn đề hợp nhất hương vị có thể được tìm thấy.
Các lý thuyết khác và các hạt cơ bản
GUT với bốn gia đình / thế hệ, SU (8): giả sử 4 thế hệ fermion thay vì 3 tạo ra tổng cộng 64 loại hạt. Chúng có thể được đặt trong các biểu diễn 64=8 + 56 SU (8). Điều này có thể được chia thành SU (5) × SU (3) F × U (1), là lý thuyết SU (5), cùng với một số boson nặng có ảnh hưởng đến số thế hệ.
GUT với bốn gia đình / thế hệ, O (16): Một lần nữa, giả sử 4 thế hệ fermion, 128 hạt và phản hạt có thể phù hợp với một biểu diễn spinor O (16) duy nhất. Tất cả những điều này đã được khám phá trên con đường đi đến lý thuyết thống nhất lớn.
