ทฤษฎีเอกภาพอันยิ่งใหญ่ (GUT, GUT หรือ GUT - จะใช้ตัวย่อทั้งสามในบทความ) เป็นแบบจำลองในฟิสิกส์ของอนุภาคที่ซึ่งพลังงานสูง อันตรกิริยาสามเกจของแบบจำลองมาตรฐานที่กำหนดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ปฏิสัมพันธ์หรือกองกำลังที่อ่อนแอและแข็งแกร่งรวมกันเป็นหนึ่งแรงเดียว ปฏิสัมพันธ์ที่รวมกันนี้มีลักษณะเฉพาะโดยสมมาตรหนึ่งอันที่มีเกจมากกว่า ดังนั้นจึงมีแรงพาหะหลายตัว แต่มีพันธะถาวรเพียงอันเดียว หากการรวมตัวครั้งใหญ่เกิดขึ้นในธรรมชาติ ก็มีความเป็นไปได้ที่ยุคการรวมตัวครั้งใหญ่ในเอกภพยุคแรกซึ่งพลังพื้นฐานยังไม่แตกต่างกัน
สรุปทฤษฎีเอกภาพอันยิ่งใหญ่
โมเดลที่ไม่รวมการโต้ตอบทั้งหมดโดยใช้กลุ่มธรรมดากลุ่มเดียวเป็นเกจสมมาตร ทำได้โดยใช้กลุ่มกึ่งธรรมดา สามารถแสดงคุณสมบัติที่คล้ายคลึงกัน และบางครั้งเรียกอีกอย่างว่าทฤษฎีการรวมครั้งใหญ่
การรวมแรงโน้มถ่วงกับแรงอีกสามแรงจะให้ทฤษฎีของทุกสิ่ง (OO) มากกว่า GUT อย่างไรก็ตาม GUT มักถูกมองว่าเป็นขั้นตอนกลางสู่ OO ทั้งหมดนี้เป็นแนวคิดที่มีลักษณะเฉพาะสำหรับทฤษฎีที่ยอดเยี่ยมของการรวมกันและการรวมเป็นหนึ่งเดียว
อนุภาคใหม่ที่ทำนายโดยแบบจำลอง GUT นั้นคาดว่าจะมีมวลรอบมาตราส่วน GUT ซึ่งเป็นขนาดที่ต่ำกว่ามาตราส่วนพลังค์เพียงเล็กน้อย ดังนั้นจึงไม่สามารถเข้าถึงได้สำหรับการทดลองใดๆ ที่เสนอให้ชนกันของอนุภาค ดังนั้น อนุภาคที่ทำนายโดยแบบจำลอง GUT จึงไม่อาจสังเกตได้โดยตรง และสามารถตรวจจับผลกระทบของการรวมกลุ่มครั้งใหญ่ได้ผ่านการสังเกตทางอ้อม เช่น การสลายตัวของโปรตอน โมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าของอนุภาคมูลฐาน หรือคุณสมบัติของนิวตริโน GUT บางส่วน เช่น แบบจำลอง Pati Salam ทำนายการมีอยู่ของขั้วแม่เหล็กขั้วเดียว
ลักษณะของรุ่น
GUT รุ่นซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อให้สมจริงอย่างสมบูรณ์นั้นค่อนข้างซับซ้อน แม้จะเทียบกับรุ่นมาตรฐาน เนื่องจากจะต้องเพิ่มฟิลด์และการโต้ตอบเพิ่มเติม หรือแม้แต่มิติเพิ่มเติมของพื้นที่ สาเหตุหลักของความซับซ้อนนี้อยู่ที่ความยากลำบากในการผลิตซ้ำมวลเฟอร์เมียนที่สังเกตได้และมุมผสม ซึ่งอาจเกิดจากการมีอยู่ของความสมมาตรของครอบครัวเพิ่มเติมบางอย่างนอกแบบจำลอง GUT แบบเดิม เนื่องจากความยากลำบากนี้และไม่มีเอฟเฟกต์การรวมครั้งใหญ่ที่สังเกตได้ จึงยังไม่มีโมเดล GUT ที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไป
ประวัติศาสตร์มาก่อนGUT ที่แท้จริงจากกลุ่ม SU ที่เรียบง่ายของ Lee ถูกเสนอโดย Howard George และ Sheldon Glashow ในปี 1974 โมเดล Georgi-Glashow นำหน้าด้วยโมเดล Lie พีชคณิต Pati-Salam กึ่งง่ายที่เสนอโดย Abdus Salam และ Jogesh Pati ซึ่งเสนอปฏิสัมพันธ์มาตรวัดแบบรวมเป็นอันดับแรก
ประวัติชื่อ
คำย่อ GUT (GUT) ได้รับการประกาศเกียรติคุณครั้งแรกในปี 1978 โดยนักวิจัยของ CERN John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard และ Dmitry Nanopoulos แต่ในบทความฉบับสุดท้ายพวกเขาเลือก GUM (มวลรวมที่ยิ่งใหญ่) นาโนปูลอสในปีนั้นเป็นคนแรกที่ใช้ตัวย่อในบทความ กล่าวโดยย่อ ระหว่างทางไปสู่ Grand Unified Theory มีงานทำมากมาย
ความธรรมดาของแนวคิด
ตัวย่อ SU ใช้เพื่ออ้างถึงทฤษฎีการรวมครั้งใหญ่ ซึ่งจะมีการอ้างถึงบ่อยครั้งในบทความนี้ ความจริงที่ว่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนและโปรตอนดูเหมือนจะหักล้างซึ่งกันและกันด้วยความแม่นยำสูงสุดเป็นสิ่งจำเป็นต่อโลกมหภาคอย่างที่เราทราบ แต่คุณสมบัติที่สำคัญของอนุภาคมูลฐานไม่ได้อธิบายไว้ในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค ในขณะที่คำอธิบายของการโต้ตอบที่รุนแรงและอ่อนแอในแบบจำลองมาตรฐานนั้นอิงตามสมมาตรของมาตรวัดที่ควบคุมโดยกลุ่มสมมาตร SU (3) และ SU (2) ธรรมดาที่อนุญาตเฉพาะประจุที่ไม่ต่อเนื่อง ส่วนประกอบที่เหลือ การโต้ตอบไฮเปอร์ชาร์จที่อ่อนแอ อธิบายโดย Abelian U(1) ซึ่งโดยหลักการแล้วช่วยให้การกระจายค่าธรรมเนียมตามอำเภอใจ
การควอนตัมประจุที่สังเกตได้ กล่าวคือความจริงที่ว่าอนุภาคมูลฐานที่รู้จักทั้งหมดมีประจุไฟฟ้าที่ดูเหมือนจะเป็นทวีคูณของ ⅓ ของประจุพื้นฐานอย่างแม่นยำ นำไปสู่แนวคิดที่ว่าปฏิกิริยาไฮเปอร์ชาร์จและอาจสร้างปฏิกิริยารุนแรงและอ่อนแอได้ เป็นการปฏิสัมพันธ์แบบรวมเป็นหนึ่งเดียวที่อธิบายโดยกลุ่มสมมาตรที่เรียบง่ายขนาดใหญ่กว่ากลุ่มหนึ่งซึ่งมีแบบจำลองมาตรฐาน สิ่งนี้จะทำนายลักษณะเชิงปริมาณและค่าของประจุทั้งหมดของอนุภาคมูลฐานโดยอัตโนมัติ เนื่องจากมันยังนำไปสู่การทำนายจุดแข็งสัมพัทธ์ของการโต้ตอบพื้นฐานที่เราสังเกต โดยเฉพาะอย่างยิ่งมุมการผสมที่อ่อนแอ Grand Unification เหมาะอย่างยิ่งที่จะลดจำนวนของอินพุตอิสระ แต่ยังจำกัดอยู่เพียงการสังเกต แม้ว่าทฤษฎีเอกภาพอันยิ่งใหญ่อาจดูเหมือนเป็นสากล แต่หนังสือเกี่ยวกับเรื่องนี้ไม่ได้รับความนิยมมากนัก
ทฤษฎีจอร์เจีย-กลาสโกว์ (SU (5))
การรวมตัวกันครั้งใหญ่ชวนให้นึกถึงการรวมกันของแรงไฟฟ้าและแม่เหล็กในทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ในศตวรรษที่ 19 แต่ความหมายทางกายภาพและโครงสร้างทางคณิตศาสตร์ของมันแตกต่างกันในเชิงคุณภาพ
อย่างไรก็ตาม ไม่ชัดเจนว่าตัวเลือกที่ง่ายที่สุดสำหรับสมมาตรแบบรวมเป็นหนึ่งที่ขยายใหญ่ขึ้นคือการสร้างชุดอนุภาคมูลฐานที่ถูกต้อง ความจริงที่ว่าอนุภาคของสสารที่รู้จักในปัจจุบันทั้งหมดเข้ากันได้ดีกับทฤษฎีการแสดงกลุ่ม SU(5) ที่เล็กที่สุดสามทฤษฎีและมีประจุที่สังเกตได้ถูกต้องทันทีเป็นหนึ่งในทฤษฎีแรกและเหตุผลที่สำคัญที่สุดที่ผู้คนเชื่อว่าทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่สามารถเกิดขึ้นได้ในธรรมชาติ
การแสดง SU(5) ที่ลดไม่ได้ที่เล็กที่สุดสองรายการคือ 5 และ 10 ในสัญกรณ์มาตรฐาน 5 ประกอบด้วยคอนจูเกตประจุของแฝดสามสีประเภทถนัดขวาและไอโซสปินดับเบิลด้านซ้ายซ้าย ขณะที่ 10 ประกอบด้วยองค์ประกอบของควาร์กอัพไทป์หกองค์ประกอบ ระบายสีควาร์กประเภทดาวน์ไทป์มือซ้ายและอิเล็คตรอนที่ถนัดขวา แผนนี้ต้องทำซ้ำสำหรับสสารทั้งสามรุ่นที่รู้จัก เป็นที่น่าสังเกตว่าทฤษฎีนี้ไม่มีความผิดปกติกับเนื้อหานี้
สมมุติฐานของนิวตริโนถนัดขวาคือ SU(5) singlet หมายความว่ามวลของมันไม่ได้รับอนุญาตจากความสมมาตรใดๆ ไม่จำเป็นต้องทำลายสมมาตรตามธรรมชาติ ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไมมวลของมันถึงมีขนาดใหญ่
ในที่นี้ การรวมตัวของสสารจะสมบูรณ์ยิ่งขึ้น เนื่องจากการแสดงสปินเนอร์ 16 ที่ลดไม่ได้นั้นมีทั้ง 5 และ 10 ของ SU(5) และนิวตริโนที่ถนัดขวา ดังนั้นเนื้อหาทั้งหมดของอนุภาคของรุ่นหนึ่งรุ่น รุ่นมาตรฐานแบบขยายที่มีมวลนิวตริโน นี่เป็นกลุ่มธรรมดาที่ใหญ่ที่สุดที่บรรลุการรวมตัวของสสารในรูปแบบที่รวมเฉพาะอนุภาคของสสารที่รู้จักแล้วเท่านั้น (ยกเว้นภาคฮิกส์)
เนื่องจาก fermion รุ่นมาตรฐานต่างๆ ถูกจัดกลุ่มเป็นการแสดงตัวอย่างที่ใหญ่ขึ้น GUTs ทำนายความสัมพันธ์ระหว่างมวลของเฟอร์เมียนโดยเฉพาะ เช่น ระหว่างอิเล็กตรอนกับดาวน์ควาร์ก มิวออน และควาร์กแปลก และเทา เลปตันและดาวน์ควาร์กสำหรับ SU (5) อัตราส่วนมวลเหล่านี้บางส่วนเป็นค่าประมาณ แต่ส่วนใหญ่ไม่เป็นเช่นนั้น
SO(10) ทฤษฎี
โบโซนิกเมทริกซ์สำหรับ SO(10) หาได้จากการหาเมทริกซ์ขนาด 15×15 ที่มี 10 + 5 แทนค่า SU(5) และเพิ่มแถวและคอลัมน์พิเศษสำหรับนิวตริโนด้านขวา คุณสามารถหาโบซอนได้โดยการเพิ่มคู่หูให้กับโบซอนที่มีประจุ 20 อัน (โบซอน W ขวา 2 อัน, กลูออนที่มีประจุขนาดใหญ่ 6 อันและโบซอนประเภท X/Y 12 อัน) และเพิ่ม Z boson ที่เป็นกลางเป็นพิเศษเพื่อสร้าง 5 โบซอนที่เป็นกลาง เมทริกซ์โบโซนิกจะมีโบซอนหรือพาร์ทเนอร์ใหม่ในแต่ละแถวและคอลัมน์ คู่เหล่านี้รวมกันเพื่อสร้างเมทริกซ์การหมุน Dirac 16D ที่คุ้นเคย SO(10).
รุ่นมาตรฐาน
การขยายแบบไม่ต่อเนื่องของแบบจำลองมาตรฐานด้วยสเปกตรัมเวกเตอร์ของอนุภาคมัลติเพล็ตแยกที่ปรากฏตามธรรมชาติใน SU(N) GUT ที่สูงกว่านั้นเปลี่ยนฟิสิกส์ของทะเลทรายอย่างมีนัยสำคัญและนำไปสู่การรวมกันอย่างยิ่งใหญ่ที่เหมือนจริง (ระดับแถว) สำหรับควาร์ก-เลปตันปกติสามตัว ครอบครัวแม้จะไม่ได้ใช้สมมาตรยิ่งยวด (ดูด้านล่าง) ในทางกลับกัน เนื่องจากการเกิดขึ้นของกลไก VEV ใหม่ที่หายไปซึ่งเกิดขึ้นใน SU(8) GUT ที่สมมาตรยิ่งยวด ซึ่งเป็นวิธีแก้ปัญหาลำดับชั้นของมาตรวัด (การแยกสองส่วน-สามส่วน) และปัญหาการรวมรสชาติได้พร้อมกัน
ทฤษฎีและอนุภาคมูลฐานอื่นๆ
GUT ที่มีสี่ตระกูล/รุ่น SU (8): สมมติว่าเฟอร์มิออน 4 รุ่นแทนที่จะเป็น 3 รุ่นจะสร้างอนุภาคทั้งหมด 64 ประเภท พวกเขาสามารถอยู่ในการแสดง 64=8 + 56 SU (8) สามารถแบ่งออกเป็น SU(5) × SU(3) F × U(1) ซึ่งเป็นทฤษฎี SU(5) ร่วมกับโบซอนหนักบางตัวที่ส่งผลต่อจำนวนรุ่น
GUT ที่มีสี่ตระกูล/รุ่น O(16): อีกครั้ง สมมติว่ามีเฟอร์มิออน 4 รุ่น 128 อนุภาคและปฏิปักษ์สามารถใส่ลงในการแสดงสปินเนอร์ O(16) ตัวเดียวได้ ทุกสิ่งเหล่านี้ถูกค้นพบระหว่างทางไปสู่ทฤษฎีเอกภาพอันยิ่งใหญ่
