Teoria Marii Uniri

În fizică, teoria marii unificări , cunoscută și sub numele de GUT ( acronimul teoriei marii unificări engleze sau a teoriei mari unificate ) este un set de teorii construite pentru a realiza unificarea celor trei interacțiuni fundamentale descrise de modelul standard . Printre cei mai plauzibili candidați pentru grupul de simetrie capabil să reprezinte o astfel de unificare se numără grupul ortogonal SO (10) și grupul unitar special SU (5). Un interes deosebit este în prezent dedicat subclasei de teorii care încorporează supersimetrie .

Motive

Modelele de mare unificare se bazează pe același principiu care stă la baza modelului standard de interacțiuni și particule elementare: principiul care stă la baza interacțiunilor elementare (sau forțe) este că există un grup de simetrie , numit grup de ecartament.

O teorie a ecartamentului în care grupul ecartamentului este un grup simplu are o singură constantă de cuplare și, prin urmare, o singură interacțiune fundamentală. Astfel, într-o mare teorie unificată, cele trei interacțiuni de ecartament independente ale modelului standard sunt legate între ele. În anumite teorii SU (5) supersimetrice sau în anumite modele SO (10) non-supersimetrice, aceste relații sunt compatibile cu valorile măsurate ale celor trei interacțiuni ale modelului standard.

Mai mult, cele 5 câmpuri fermionice chirale (3 quarks și 2 leptoni) care alcătuiesc o „familie” a modelului standard sunt reduse la doar 2 câmpuri în SU (5) și la doar 1 câmp (numit spinor) în SO ( 10). Grupul SO (10) prezice, de asemenea, existența unui neutrino dreptaci, posibil legat de explicația maselor de neutrini.

Fiecare model specific GUT prezice relații între masele fermionului, de exemplu între electron și quarkul descendent , muonul și quarkul ciudat și între leptonul tau și quarkul inferior pentru SU (5) și SO (10). Trebuie subliniat, însă, că masele fermionilor nu par a fi explicate la fel de convingător ca interacțiunile.

Ingrediants

Un model GUT constă în esență dintr-un grup de gabarit care este un grup Lie compact, o formă de conexiune pentru acel grup Lie, o acțiune Yang-Mills pentru acea conexiune dată de o formă invariantă simetrică bilineară pe algebra sa Lie (care este specificată de o pereche de constante pentru fiecare factor), un sector Higgs format dintr-un număr de câmpuri scalare luate pe valori cu reprezentări reale / complexe ale grupului Lie de fermioni chirali Weyl luate pe valori cu un reprezentant complex al grupului Lie. Grupul Lie conține grupul Model standard, iar câmpul Higgs conduce la ruperea spontană a simetriei Modelului standard. Fermionul lui Weyl reprezintă materia.

Teorii propuse

Au fost propuse numeroase teorii, dar niciuna nu este acceptată în prezent în mod universal. O posibilă teorie mai ambițioasă care include toate forțele fundamentale (inclusiv în special gravitația ) se numește Teoria Totului . Principalele modele de GUT sunt:

model minim stânga-dreapta (model stânga-dreapta) - $SU(3)_{C}\times SU(2)_{L}\times SU(2)_{R}\times U(1)_{B-L}$ ${\ displaystyle SU (3) _ {C} \ times SU (2) _ {L} \ times SU (2) _ {R} \ times U (1) _ {BL}}$ ${\ displaystyle SU (3) _ {C} \ times SU (2) _ {L} \ times SU (2) _ {R} \ times U (1) _ {B-L}}$
Modelul Georgi-Glashow - $SU(5)$ ${\ displaystyle SU (5)}$ ${\ displaystyle SU (5)}$
SO (10)
Flipped UP (5) - $SU(5)\times U(1)$ ${\ displaystyle SU (5) \ times U (1)}$ ${\ displaystyle SU (5) \ times U (1)}$
Modelul Pati-Salam - $SU(4)\times SU(2)\times SU(2)$ ${\ displaystyle SU (4) \ times SU (2) \ times SU (2)}$ ${\ displaystyle SU (4) \ times SU (2) \ times SU (2)}$
răsturnat SO (10) - $SO(10)\times U(1)$ ${\ displaystyle SO (10) \ times U (1)}$ ${\ displaystyle SO (10) \ times U (1)}$
Trinificare - $SU(3)\times SU(3)\times SU(3)$ ${\ displaystyle SU (3) \ times SU (3) \ times SU (3)}$ ${\ displaystyle SU (3) \ times SU (3) \ times SU (3)}$
SUS (6)
Și ₆
modelul 331
Culoare chirală

Nu chiar teorii GUT:

Notă : Aceste modele se referă la o algebră Lie, nu la grupuri Lie . Grupurile de minciuni pot fi de exemplu [SU (4) × SU (2) × SU (2)] / Z ₂ .

Predicții și posibile teste experimentale

Pentru moment nu există o verificare experimentală directă a teoriei GUT, deoarece scara energetică tipică a unei mari unificări ar trebui să fie cea de 10 ¹³ TeV, în timp ce în zilele noastre experimentele se efectuează la energii de ordinul 1 TeV (adică zece mii de miliarde de ori mai puțin ).

Printre posibilele teste indirecte ale teoriei GUT, ar trebui subliniată căutarea dezintegrării protonilor (neobservată) și căutarea maselor de neutrini. Acesta din urmă a dat rezultate pozitive, prin studiul oscilațiilor neutrino . Observăm că scara de masă a oscilațiilor neutrinilor atmosferici, m (nu) = 0,05 eV, sugerează prin formula balansoarului m (nu) = v ^{2 / M} (unde v = 174 GeV) o valoare a noii fizici scara M în jurul valorii de 10 ¹⁵ GeV, apropiată de scara de mare unificare menționată mai sus.

Unele modele GUT permit obținerea unor estimări cu privire la evoluția universului. Conform acestor modele, în primele momente de viață ale universului, un surplus de particule a fost produs în detrimentul antiparticulelor , ceea ce a dus la ruperea simetriei dintre materie și antimaterie și a condus la universul pe care îl observăm. În unele dintre aceste modele, originea materiei este strâns legată de masele de neutrini, așa-numita leptogeneză .

În cele din urmă, trebuie amintit că predicția scalei de mare unificare depinde de modelul specific și încă nu există un model universal acceptat; în special, literatura științifică include modele GUT alternative cu noi particule potențial observabile în acceleratoare.

Starea curenta

Descoperirea oscilațiilor neutrino indică faptul că modelul standard este incomplet și duce la un interes reînnoit pentru anumite GUT, cum ar fi SO (10). De asemenea, interesul se mută la detalii GUT supersimetrice.

Bosonii X și Y

În teoria marii unificări, bosonii X și Y sunt particulele elementare ipotetice, analogi cu bosonii W și Z , responsabili de un nou tip de forță prezis de teoria însăși.