Grande Teoria Unificada (GUT, GUT ou GUT - todas as três abreviações serão usadas no artigo) é um modelo em física de partículas em que, em alta energia, as três interações de calibre do modelo padrão que determinam a, interações ou forças fracas e fortes são combinadas em uma única força. Esta interação combinada é caracterizada por uma simetria de maior calibre e, portanto, várias forças portadoras, mas uma ligação permanente. Se uma grande unificação ocorrer na natureza, existe a possibilidade de uma grande era de unificação no universo primitivo em que as forças fundamentais ainda não são diferentes.
Grande Teoria Unificada em resumo
Modelos que não unificam todas as interações usando um grupo simples como simetria de calibre, o fazem usando grupos semisimples, podem exibir propriedades semelhantes e às vezes também são chamados de teorias de grande unificação.
Combinar a gravidade com as outras três forças forneceria uma teoria de tudo (OO) em vez de um GUT. No entanto, o GUT é frequentemente visto como um passo intermediário em direção ao OO. Estas são todas idéias características para as grandes teorias de unificação e superunificação.
Espera-se que as novas partículas previstas pelos modelos GUT tenham massas em torno da escala GUT - apenas algumas ordens de magnitude abaixo da escala de Planck - e, portanto, fora do alcance de qualquer experimento proposto com colisores de partículas. Portanto, partículas previstas por modelos GUT não podem ser observadas diretamente e, em vez disso, grandes efeitos de unificação podem ser detectados por meio de observações indiretas, como decaimento de prótons, momentos de dipolo elétrico de partículas elementares ou propriedades de neutrinos. Algumas GUTs, como o modelo Pati Salam, predizem a existência de monopolos magnéticos.
Características dos modelos
Os modelos GUT, que pretendem ser completamente realistas, são bastante complexos, mesmo em comparação com o modelo padrão, pois devem introduzir campos e interações adicionais, ou mesmo dimensões adicionais de espaço. A principal razão para esta complexidade reside na dificuldade de reproduzir as massas dos férmions observadas e os ângulos de mistura, o que pode ser devido à existência de algumas simetrias familiares adicionais fora dos modelos GUT tradicionais. Devido a essa dificuldade e à ausência de qualquer efeito de grande unificação observável, ainda não existe um modelo GUT geralmente aceito.
Historicamente primeiroum verdadeiro GUT baseado no grupo SU simples de Lee foi proposto por Howard George e Sheldon Glashow em 1974. O modelo Georgi-Glashow foi precedido pelo modelo semisimples de álgebra de Lie Pati-Salam proposto por Abdus Salam e Jogesh Pati, que primeiro propuseram interações de medida unificadoras.
Histórico de nomes
A abreviatura GUT (GUT) foi cunhada pela primeira vez em 1978 pelos pesquisadores do CERN John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard e Dmitry Nanopoulos, mas na versão final do artigo eles escolheram GUM (great unification mass). Nanopoulos mais tarde naquele ano foi o primeiro a usar a sigla em um artigo. Em suma, muito trabalho foi feito no caminho para a Grande Teoria Unificada.
Comunidade de conceitos
A abreviatura SU é usada para se referir às teorias da grande unificação, que serão mencionadas com frequência ao longo deste artigo. O fato de que as cargas elétricas de elétrons e prótons parecem se anular com extrema precisão é essencial para o mundo macroscópico como o conhecemos, mas essa importante propriedade das partículas elementares não é explicada no modelo padrão da física de partículas. Enquanto a descrição das interações fortes e fracas no Modelo Padrão é baseada em simetrias de calibre governadas por grupos de simetria simples SU(3) e SU(2) que permitem apenas cargas discretas, o componente restante, a interação de hipercarga fraca, é descrita por o Abeliano U(1), que em princípio permitedistribuição arbitrária de cobranças.
A quantização de carga observada, ou seja, o fato de que todas as partículas elementares conhecidas carregam cargas elétricas que parecem ser múltiplos exatos de ⅓ da carga elementar, levou à ideia de que interações de hipercarga e possivelmente interações fortes e fracas poderiam ser construídas em uma grande interação unificada descrita por um grupo de simetria simples maior contendo o modelo padrão. Isso irá prever automaticamente a natureza quantizada e os valores de todas as cargas de partículas elementares. Como também leva a uma previsão das forças relativas das interações subjacentes que observamos, em particular o ângulo de mistura fraco, a Grand Unification reduz idealmente o número de entradas independentes, mas também é limitada a observações. Por mais universal que a grande teoria unificada possa parecer, os livros sobre ela não são muito populares.
Teoria Georgie-Glasgow (SU (5))
A grande unificação é uma reminiscência da unificação das forças elétricas e magnéticas na teoria do eletromagnetismo de Maxwell no século 19, mas seu significado físico e estrutura matemática são qualitativamente diferentes.
No entanto, não é óbvio que a escolha mais simples possível para a grande simetria unificada estendida seja produzir o conjunto correto de partículas elementares. O fato de que todas as partículas de matéria atualmente conhecidas se encaixam bem nas três teorias de representação de grupos SU(5) menores e carregam imediatamente as cargas observáveis corretas é um dos primeiros e mais importantesas razões mais importantes pelas quais as pessoas acreditam que a grande teoria unificada pode realmente ser realizada na natureza.
As duas menores representações irredutíveis de SU(5) são 5 e 10. Na notação padrão, 5 contém os conjugados de carga de um trio de cores do tipo para baixo destro e um dubleto de isospin esquerdo-esquerdo, enquanto 10 contém seis componentes de um quark do tipo up, colore um tripleto de um quark do tipo down canhoto e um elétron destro. Este esquema deve ser reproduzido para cada uma das três gerações conhecidas de matéria. Vale ress altar que a teoria não contém anomalias com este conteúdo.
Neutrinos hipotéticos destros são um singleto SU(5), o que significa que sua massa não é proibida por nenhuma simetria; ele não precisa quebrar a simetria espontaneamente, o que explica porque sua massa será grande.
Aqui, a unificação da matéria é ainda mais completa, uma vez que a representação irredutível do espinor 16 contém 5 e 10 de SU(5) e neutrinos destros, e assim o conteúdo total de partículas de uma geração do modelo padrão estendido com massas de neutrinos. Este já é o maior grupo simples que consegue a unificação da matéria em um esquema que inclui apenas partículas de matéria já conhecidas (exceto o setor de Higgs).
Como os vários férmions do modelo padrão são agrupados em representações maiores, as GUTs preveem especificamente as relações entre as massas dos férmions, como entre um elétron equark down, muon e quark estranho, e o lépton tau e quark down para SU(5). Algumas dessas proporções de massa são aproximadas, mas a maioria não.
SO(10) teoria
A matriz bosônica para SO(10) é encontrada tomando uma matriz 15×15 de 10 + 5 representação de SU(5) e adicionando uma linha e coluna extras para o neutrino direito. Os bósons podem ser encontrados adicionando um parceiro a cada um dos 20 bósons carregados (2 bósons W à direita, 6 glúons carregados massivos e 12 bósons do tipo X/Y) e adicionando um bóson Z neutro extra pesado para fazer 5 bósons neutros. A matriz bosônica terá um bóson ou seu novo parceiro em cada linha e coluna. Esses pares se combinam para criar as conhecidas matrizes de spin 16D de Dirac SO(10).
Modelo Padrão
Extensões não quirais do Modelo Padrão com espectros vetoriais de partículas multiplet divididas que aparecem naturalmente em SU(N) GUTs mais altas alteram significativamente a física do deserto e levam a uma grande unificação realista (escala de linha) para os usuais três quark-lepton famílias mesmo sem usar supersimetria (veja abaixo). Por outro lado, devido ao surgimento de um novo mecanismo VEV ausente surgindo no SU(8) GUT supersimétrico, uma solução simultânea para o problema de hierarquia de calibre (divisão de tripleto-duplo) e o problema de unificação de sabor pode ser encontrada.
Outras teorias e partículas elementares
GUT com quatro famílias/gerações, SU(8): assumindo 4 gerações de férmions em vez de 3 gera um total de 64 tipos de partículas. Eles podem ser colocados em 64=8 + 56 representações SU(8). Isso pode ser dividido em SU(5) × SU(3) F × U(1), que é a teoria SU(5), juntamente com alguns bósons pesados que afetam o número de geração.
GUT com quatro famílias/gerações, O(16): Novamente, assumindo 4 gerações de férmions, 128 partículas e antipartículas podem caber em uma única representação de espinor O(16). Todas essas coisas foram descobertas no caminho para a grande teoria unificada.
