La Gran Teoría Unificada (GUT, GUT o GUT; las tres abreviaturas se utilizarán en el artículo) es un modelo de física de partículas en el que, a alta energía, las tres interacciones de calibre del modelo estándar que determinan la energía electromagnética, las interacciones o fuerzas débiles y fuertes se combinan en una sola fuerza. Esta interacción combinada se caracteriza por una simetría de mayor calibre y, por lo tanto, varias fuerzas portadoras, pero un vínculo permanente. Si ocurre una gran unificación en la naturaleza, existe la posibilidad de una era de gran unificación en el universo primitivo en la que las fuerzas fundamentales aún no son diferentes.
Resumen de la Gran Teoría Unificada
Los modelos que no unifican todas las interacciones usando un grupo simple como simetría de calibre, lo hacen usando grupos semisimples, pueden exhibir propiedades similares y a veces también se les llama teorías de gran unificación.
Combinar la gravedad con las otras tres fuerzas proporcionaría una teoría del todo (OO) en lugar de una GUT. Sin embargo, GUT a menudo se ve como un paso intermedio hacia OO. Todas estas son ideas características de las grandes teorías de unificación y superunificación.
Se espera que las nuevas partículas predichas por los modelos GUT tengan masas alrededor de la escala GUT, solo unos pocos órdenes de magnitud por debajo de la escala de Planck, y por lo tanto fuera del alcance de cualquier experimento de colisionador de partículas propuesto. Por lo tanto, las partículas predichas por los modelos GUT no se pueden observar directamente y, en cambio, los efectos de gran unificación se pueden detectar a través de observaciones indirectas, como la descomposición de protones, los momentos dipolares eléctricos de partículas elementales o las propiedades de los neutrinos. Algunos GUT, como el modelo Pati Salam, predicen la existencia de monopolos magnéticos.
Características de los modelos
Los modelos GUT, que pretenden ser completamente realistas, son bastante complejos, incluso en comparación con el modelo estándar, porque deben introducir campos e interacciones adicionales, o incluso dimensiones adicionales del espacio. La razón principal de esta complejidad radica en la dificultad de reproducir las masas de fermiones y los ángulos de mezcla observados, lo que puede deberse a la existencia de algunas simetrías familiares adicionales fuera de los modelos GUT tradicionales. Debido a esta dificultad y a la ausencia de cualquier efecto de gran unificación observable, todavía no existe un modelo GUT generalmente aceptado.
Históricamente primeroHoward George y Sheldon Glashow propusieron en 1974 un verdadero GUT basado en el grupo SU simple de Lee. El modelo de Georgi-Glashow fue precedido por el modelo de álgebra de Lie semisimple de Pati-Salam propuesto por Abdus Salam y Jogesh Pati, quienes fueron los primeros en proponer unificar las interacciones de calibre.
Historial de nombres
La abreviatura GUT (GUT) fue acuñada por primera vez en 1978 por los investigadores del CERN John Ellis, Andrzej Buras, Mary C. Gayard y Dmitry Nanopoulos, pero en la versión final de su artículo eligieron GUM (gran masa de unificación). Nanopoulos más tarde ese año fue el primero en usar el acrónimo en un artículo. En resumen, se ha trabajado mucho en el camino hacia la Gran Teoría Unificada.
Comunión de conceptos
La abreviatura SU se usa para referirse a las teorías de la gran unificación, a las que se hará referencia con frecuencia a lo largo de este artículo. El hecho de que las cargas eléctricas de electrones y protones parezcan cancelarse entre sí con extrema precisión es esencial para el mundo macroscópico tal como lo conocemos, pero esta importante propiedad de las partículas elementales no se explica en el modelo estándar de física de partículas. Mientras que la descripción de las interacciones fuertes y débiles en el modelo estándar se basa en simetrías de norma gobernadas por grupos de simetría SU(3) y SU(2) simples que permiten solo cargas discretas, el componente restante, la interacción de hipercarga débil, se describe mediante la Abeliana U(1), que en principio permitedistribución arbitraria de cargos.
La cuantización de la carga observada, es decir, el hecho de que todas las partículas elementales conocidas llevan cargas eléctricas que parecen ser múltiplos exactos de ⅓ de la carga elemental, llevó a la idea de que se podrían construir interacciones de hipercarga y posiblemente interacciones fuertes y débiles en una gran interacción unificada descrita por un grupo de simetría simple más grande que contiene el modelo estándar. Esto predecirá automáticamente la naturaleza cuantificada y los valores de todas las cargas de las partículas elementales. Debido a que también conduce a una predicción de las fortalezas relativas de las interacciones subyacentes que observamos, en particular el ángulo de mezcla débil, la Gran Unificación idealmente reduce el número de entradas independientes, pero también se limita a las observaciones. Tan universal como pueda parecer la gran teoría unificada, los libros sobre ella no son muy populares.
Teoría de Georgia-Glasgow (SU (5))
La gran unificación recuerda a la unificación de las fuerzas eléctricas y magnéticas en la teoría del electromagnetismo de Maxwell en el siglo XIX, pero su significado físico y estructura matemática son cualitativamente diferentes.
Sin embargo, no es obvio que la opción más simple posible para la gran simetría unificada extendida sea producir el conjunto correcto de partículas elementales. El hecho de que todas las partículas de materia actualmente conocidas encajen bien en las tres teorías de representación de grupos SU(5) más pequeñas y lleven inmediatamente las cargas observables correctas es una de las primeras y más importantes.las razones más importantes por las que la gente cree que la gran teoría unificada se puede realizar en la naturaleza.
Las dos representaciones irreducibles más pequeñas de SU(5) son 5 y 10. En la notación estándar, 5 contiene los conjugados de carga de un triplete de color de tipo hacia abajo a la derecha y un doblete de isospín a la izquierda a la izquierda, mientras que 10 contiene seis componentes de un quark tipo up, colorea un triplete de un quark tipo down zurdo y un electrón diestro. Este esquema debe reproducirse para cada una de las tres generaciones conocidas de materia. Cabe destacar que la teoría no contiene anomalías con este contenido.
Los neutrinos dextrógiros hipotéticos son un singlete SU(5), lo que significa que su masa no está prohibida por ninguna simetría; no necesita romper la simetría espontáneamente, lo que explica por qué su masa será grande.
Aquí, la unificación de la materia es aún más completa, ya que la representación del espinor irreducible 16 contiene tanto 5 como 10 de SU(5) y neutrinos dextrógiros, y por lo tanto el contenido total de partículas de una generación del modelo estándar extendido con masas de neutrinos. Este ya es el grupo simple más grande que logra la unificación de la materia en un esquema que incluye solo partículas de materia ya conocidas (excepto el sector de Higgs).
Debido a que los distintos modelos estándar de fermiones se agrupan en representaciones más grandes, las GUT predicen específicamente las relaciones entre las masas de los fermiones, como entre un electrón yel quark down, el muon y el quark strange, y el leptón tau y el quark down para SU(5). Algunas de estas proporciones de masa son aproximadas, pero la mayoría no.
Teoría SO(10)
La matriz bosónica para SO(10) se encuentra tomando una matriz de 15×15 de 10 + 5 que representa SU(5) y agregando una fila y una columna adicionales para el neutrino derecho. Los bosones se pueden encontrar agregando un compañero a cada uno de los 20 bosones cargados (2 bosones W derechos, 6 gluones cargados masivos y 12 bosones de tipo X/Y) y agregando un bosón Z neutral extra pesado para hacer 5 bosones neutrales. La matriz bosónica tendrá un bosón o su nuevo compañero en cada fila y columna. Estos pares se combinan para crear las conocidas matrices de espín de Dirac 16D SO(10).
Modelo estándar
Las extensiones no quirales del modelo estándar con espectros vectoriales de partículas multiplete divididas que aparecen naturalmente en GUT de SU(N) superiores cambian significativamente la física del desierto y conducen a una gran unificación realista (escala de filas) para los tres quark-leptones habituales familias incluso sin usar supersimetría (ver más abajo). Por otro lado, debido a la aparición de un nuevo mecanismo VEV que f alta en el GUT supersimétrico SU(8), se puede encontrar una solución simultánea al problema de la jerarquía de calibre (división doblete-triplete) y al problema de unificación de sabores.
Otras teorías y partículas elementales
GUT con cuatro familias/generaciones, SU(8): asumiendo 4 generaciones de fermiones en lugar de 3 generan un total de 64 tipos de partículas. Se pueden colocar en representaciones 64=8 + 56 SU(8). Esto se puede dividir en SU(5) × SU(3) F × U(1), que es la teoría SU(5), junto con algunos bosones pesados que afectan el número de generación.
GUT con cuatro familias/generaciones, O(16): Nuevamente, asumiendo 4 generaciones de fermiones, 128 partículas y antipartículas pueden caber en una sola representación de espinor O(16). Todas estas cosas fueron descubiertas en el camino hacia la gran teoría unificada.
