Grand Unified Theory (GUT, GUT atau GUT - ketiga singkatan akan digunakan dalam artikel) adalah model dalam fisika partikel di mana, pada energi tinggi, interaksi tiga pengukur dari model standar yang menentukan elektromagnetik, interaksi atau kekuatan lemah dan kuat digabungkan menjadi satu kekuatan tunggal. Interaksi gabungan ini dicirikan oleh satu simetri pengukur yang lebih besar, dan oleh karena itu beberapa gaya pembawa, tetapi satu ikatan permanen. Jika terjadi penyatuan akbar di alam, ada kemungkinan era penyatuan akbar di alam semesta awal di mana gaya-gaya fundamental belum berbeda.
Grand Unified Theory secara singkat
Model yang tidak menyatukan semua interaksi menggunakan satu grup sederhana sebagai simetri pengukur, melakukannya menggunakan grup semisederhana, dapat menunjukkan sifat serupa dan kadang-kadang juga disebut teori penyatuan besar.
Menggabungkan gravitasi dengan tiga gaya lainnya akan memberikan teori segalanya (OO) daripada GUT. Namun, GUT sering dilihat sebagai langkah perantara menuju OO. Ini semua adalah ide karakteristik untuk teori penyatuan dan superunifikasi yang hebat.
Partikel baru yang diprediksi oleh model GUT diperkirakan memiliki massa di sekitar skala GUT - hanya beberapa kali lipat di bawah skala Planck - dan oleh karena itu di luar jangkauan percobaan penumbuk partikel yang diusulkan. Oleh karena itu, partikel yang diprediksi oleh model GUT tidak dapat diamati secara langsung, dan sebaliknya, efek penyatuan besar dapat dideteksi melalui pengamatan tidak langsung seperti peluruhan proton, momen dipol listrik partikel elementer, atau sifat neutrino. Beberapa GUT, seperti model Pati Salam, memprediksi keberadaan monopol magnetik.
Karakteristik model
GUT model, yang bertujuan untuk menjadi benar-benar realistis, cukup kompleks, bahkan dibandingkan dengan model standar, karena mereka harus memperkenalkan bidang dan interaksi tambahan, atau bahkan dimensi ruang tambahan. Alasan utama kompleksitas ini terletak pada kesulitan mereproduksi massa fermion yang diamati dan sudut pencampuran, yang mungkin disebabkan oleh adanya beberapa simetri keluarga tambahan di luar model GUT tradisional. Karena kesulitan ini dan tidak adanya efek penyatuan besar yang dapat diamati, masih belum ada model GUT yang diterima secara umum.
Secara historis pertamaGUT sejati berdasarkan grup SU sederhana Lee diusulkan oleh Howard George dan Sheldon Glashow pada tahun 1974. Model Georgi-Glashow didahului oleh model semisimple Lie aljabar Pati-Salam yang diusulkan oleh Abdus Salam dan Jogesh Pati, yang pertama kali mengusulkan interaksi unifying gauge.
Riwayat nama
Singkatan GUT (GUT) pertama kali diciptakan pada tahun 1978 oleh peneliti CERN John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard dan Dmitry Nanopoulos, tetapi dalam versi terakhir dari artikel mereka, mereka memilih GUM (massa penyatuan yang hebat). Nanopoulos akhir tahun itu adalah yang pertama menggunakan akronim dalam sebuah artikel. Singkatnya, banyak pekerjaan telah dilakukan dalam perjalanan menuju Grand Unified Theory.
Kesamaan konsep
Singkatan SU digunakan untuk merujuk pada teori penyatuan besar, yang akan sering dirujuk di seluruh artikel ini. Fakta bahwa muatan listrik elektron dan proton tampaknya saling meniadakan dengan sangat presisi sangat penting bagi dunia makroskopik seperti yang kita ketahui, tetapi sifat penting partikel elementer ini tidak dijelaskan dalam model standar fisika partikel. Sementara deskripsi interaksi kuat dan lemah dalam Model Standar didasarkan pada simetri pengukur yang diatur oleh grup simetri SU(3) dan SU(2) sederhana yang memungkinkan hanya muatan diskrit, komponen yang tersisa, interaksi hipermuatan lemah, dijelaskan oleh Abelian U(1), yang pada prinsipnya memungkinkandistribusi biaya sewenang-wenang.
Kuantisasi muatan yang diamati, yaitu fakta bahwa semua partikel dasar yang diketahui membawa muatan listrik yang tampaknya merupakan kelipatan tepat dari muatan dasar, memunculkan gagasan bahwa interaksi hipermuatan dan kemungkinan interaksi kuat dan lemah dapat dibangun menjadi satu interaksi terpadu besar yang dijelaskan oleh satu kelompok simetri sederhana yang lebih besar yang berisi model standar. Ini akan secara otomatis memprediksi sifat terkuantisasi dan nilai semua muatan partikel elementer. Karena itu juga mengarah pada prediksi kekuatan relatif dari interaksi yang mendasari yang kami amati, khususnya sudut pencampuran yang lemah, Grand Unification idealnya mengurangi jumlah input independen, tetapi juga terbatas pada pengamatan. Seuniversal teori grand unified mungkin tampak, buku-buku tentang itu tidak terlalu populer.
Teori George-Glasgow (SU (5))
Penyatuan agung mengingatkan pada penyatuan gaya listrik dan magnet dalam teori elektromagnetisme Maxwell pada abad ke-19, tetapi makna fisik dan struktur matematisnya secara kualitatif berbeda.
Namun, tidak jelas bahwa pilihan paling sederhana yang mungkin untuk simetri terpadu agung yang diperluas adalah menghasilkan himpunan partikel elementer yang benar. Fakta bahwa semua partikel materi yang diketahui saat ini sangat cocok dengan tiga teori representasi kelompok SU(5) terkecil dan segera membawa muatan yang dapat diamati dengan benar adalah salah satu yang pertama danalasan terpenting mengapa orang percaya bahwa grand unified theory sebenarnya dapat diwujudkan di alam.
Dua representasi SU(5) terkecil yang tidak dapat direduksi adalah 5 dan 10. Dalam notasi standar, 5 berisi konjugat muatan dari triplet warna tipe bawah tangan kanan dan doublet isospin kiri-kiri, sedangkan 10 berisi enam komponen quark tipe-atas, warna triplet quark tipe-kiri tangan-bawah dan elektron tangan-kanan. Skema ini harus direproduksi untuk masing-masing dari tiga generasi materi yang diketahui. Patut dicatat bahwa teori tersebut tidak mengandung anomali dengan konten ini.
Neutrino tangan kanan hipotetis adalah singlet SU(5), artinya massanya tidak dibatasi oleh simetri apa pun; tidak perlu secara spontan merusak simetri, yang menjelaskan mengapa massanya akan besar.
Di sini, penyatuan materi bahkan lebih lengkap, karena representasi pemintal tak tereduksi 16 berisi 5 dan 10 SU(5) dan neutrino tangan kanan, dan dengan demikian kandungan total partikel dari satu generasi model standar diperpanjang dengan massa neutrino. Ini sudah merupakan kelompok sederhana terbesar yang mencapai penyatuan materi dalam skema yang hanya mencakup partikel materi yang sudah diketahui (kecuali untuk sektor Higgs).
Karena berbagai model standar fermion dikelompokkan ke dalam representasi yang lebih besar, GUT secara khusus memprediksi hubungan antara massa fermion, seperti antara elektron dandown quark, muon, dan quark aneh, dan tau lepton dan down quark untuk SU(5). Beberapa dari rasio massa ini mendekati, tetapi kebanyakan tidak.
SO(10) teori
Matriks bosonik untuk SO(10) ditemukan dengan mengambil matriks 15×15 dari 10 + 5 representasi SU(5) dan menambahkan baris dan kolom tambahan untuk neutrino kanan. Boson dapat ditemukan dengan menambahkan pasangan ke masing-masing dari 20 boson bermuatan (2 boson W kanan, 6 gluon bermuatan besar, dan 12 boson tipe X/Y) dan menambahkan boson Z netral ekstra berat untuk membuat 5 boson netral. Matriks bosonik akan memiliki boson atau pasangan barunya di setiap baris dan kolom. Pasangan ini bergabung untuk membuat matriks putaran Dirac 16D SO(10).
Model Standar
Perpanjangan Nonchiral dari Model Standar dengan spektrum vektor partikel multiplet terbelah yang secara alami muncul di SU(N) GUT yang lebih tinggi secara signifikan mengubah fisika gurun dan mengarah pada penyatuan besar (skala baris) yang realistis untuk tiga quark-lepton biasa keluarga bahkan tanpa menggunakan supersimetri (lihat di bawah). Di sisi lain, karena munculnya mekanisme VEV baru yang hilang yang muncul di SU(8) GUT supersimetris, solusi simultan untuk masalah hierarki pengukur (pembelahan doublet-triplet) dan masalah penyatuan rasa dapat ditemukan.
Teori lain dan partikel dasar
GUT dengan empat famili/generasi, SU(8): dengan asumsi 4 generasi fermion bukannya 3 menghasilkan total 64 jenis partikel. Mereka dapat ditempatkan di 64=8 + 56 SU(8) representasi. Ini dapat dibagi menjadi SU(5) × SU(3) F × U(1), yang merupakan teori SU(5), bersama dengan beberapa boson berat yang mempengaruhi nomor generasi.
GUT dengan empat famili/generasi, O(16): Sekali lagi, dengan asumsi 4 generasi fermion, 128 partikel dan antipartikel dapat masuk ke dalam representasi spinor O(16) tunggal. Semua hal ini ditemukan dalam perjalanan menuju grand unified theory.
